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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SEDIMENTADOR CIRCULAR A ESCALA PILOTO PARA ESPESAMIENTO DE LODOS RESIDUALES DE UN PROCESO DE FABRICACIÓN DE ZnSO 4 , EN LA PLANTA DE FERTILIZANTES DE LA EMPRESA REPRESENTACIONES QUÍMICAS, S. A. Walter René Mejía Ajcucún Asesorado por el Ing. Sergio Alejandro Recinos Guatemala, enero de 2017

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Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SEDIMENTADOR CIRCULAR A ESCALA

PILOTO PARA ESPESAMIENTO DE LODOS RESIDUALES DE UN PROCESO DE

FABRICACIÓN DE ZnSO4, EN LA PLANTA DE FERTILIZANTES DE LA EMPRESA

REPRESENTACIONES QUÍMICAS, S. A.

Walter René Mejía Ajcucún

Asesorado por el Ing. Sergio Alejandro Recinos

Guatemala, enero de 2017

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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SEDIMENTADOR CIRCULAR A ESCALA

PILOTO PARA ESPESAMIENTO DE LODOS RESIDUALES DE UN PROCESO DE

FABRICACIÓN DE ZnSO4, EN LA PLANTA DE FERTILIZANTES DE LA EMPRESA

REPRESENTACIONES QUÍMICAS, S. A.

TRABAJO DE GRADUACIÓN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA

FACULTAD DE INGENIERÍA

POR

WALTER RENÉ MEJÍA AJCUCÚN

ASESORADO POR EL ING. SERGIO ALEJANDRO RECINOS

AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO

GUATEMALA, ENERO DE 2017

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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

VOCAL I Ing. Ángel Roberto Sic García

VOCAL II Ing. Pablo Christian de León Rodríguez

VOCAL III Inga. Elvia Miriam Ruballos Samayoa

VOCAL IV Br. Jurgen Andoni Ramírez Ramírez

VOCAL V Br. Oscar Humberto Galicia Nuñez

SECRETARIA Inga. Lesbia Magalí Herrera López

TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

EXAMINADOR Ing. Sergio Alejandro Recinos

EXAMINADOR Ing. Gerardo Ordóñez

EXAMINADOR Ing. Williams Guillermo Alvarez Mejía

SECRETARIA Inga. Lesbia Magalí Herrera López

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ACTO QUE DEDICO A:

Mi familia

Fidencio Mejía y Rosario Ajcucún, padres

dedicados a fomentar las nobles costumbres en

el hogar, responsables de integrar a la

sociedad, a cinco hermanos y a mí, personas

útiles para con ellos y para su comunidad.

Papá, mamá, cada uno a su manera ha

depositado lo mejor de sí en este hijo que los

ama.

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AGRADECIMIENTOS A:

La Universidad de San

Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Ing. Jorge Ávalos

Ing. Carlos Antonio

Ing. Sergio Recinos

Por ser la casa de estudios que me

proporcionó los recursos necesarios para

desarrollar y culminar mis estudios superiores.

Sus aulas me brindaron los conocimientos para

optar al título de ingeniero químico en el grado

académico de licenciado.

En usted encontré una persona entusiasta que

patrocinó la realización de mi Ejercicio

Profesional Supervisado.

Guía invaluable en la construcción y realización

del diseño experimental del presente trabajo.

Su asesoría en la concepción, desarrollo y

finalización de este proyecto fue indispensable.

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I

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ............................................................................. V

LISTA DE SÍMBOLOS ........................................................................................ VII

GLOSARIO .......................................................................................................... IX

RESUMEN ........................................................................................................... XI

OBJETIVOS ....................................................................................................... XIII

Hipótesis ................................................................................................. XIII

INTRODUCCIÓN ............................................................................................... XV

ANTECEDENTES ...................................................................................... 1 1.

Teoría de Kynch (1952) .............................................................. 1 1.1

Aportación propuesta por Font (1988, 1989, 1990, 1991) ......... 2 1.2

Otros estudios relacionados con la sedimentación .................... 2 1.3

MARCO TEÓRICO .................................................................................... 5 2.

Sedimentación ............................................................................ 5 2.1

Tipos de sedimentación .............................................................. 7 2.2

2.2.1 Sedimentación discreta ............................................. 7

2.2.2 Sedimentación con floculación .................................. 8

2.2.3 Sedimentación por zonas .......................................... 8

Teoría de la sedimentación discreta ........................................... 9 2.3

Teoría de sedimentación con floculación ................................. 12 2.4

Teoría de la sedimentación por zonas...................................... 15 2.5

Coagulación .............................................................................. 17 2.6

Floculación ................................................................................ 18 2.7

Cálculo del área superficial del sedimentador .......................... 19 2.8

Medidas en laboratorio ............................................................. 19 2.9

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II

Determinación del área mínima requerida para conseguir la 2.10

clarificación de los lodos ........................................................... 21

Determinación del área mínima requerida para conseguir el 2.11

espesamiento del lodo .............................................................. 22

2.11.1 Método de Yoshioka & Dick .................................... 22

Factores de sedimentación ....................................................... 25 2.12

2.12.1 Calidad del agua ...................................................... 25

2.12.2 Condiciones hidráulicas ........................................... 27

2.12.3 Factores externos .................................................... 28

Parámetros que se consideran para diseñar un tanque de 2.13

sedimentación ........................................................................... 29

2.13.1 Tiempo de retención ................................................ 29

2.13.2 Carga superficial o velocidad ascensorial ............... 30

2.13.3 Velocidad de arrastre .............................................. 30

Sedimentador ............................................................................ 30 2.14

2.14.1 Componentes .......................................................... 31

2.14.2 Criterios de diseño ................................................... 31

2.14.3 Materiales de construcción ...................................... 33

Escalonamiento ........................................................................ 33 2.15

2.15.1 Escala laboratorio y planta piloto ............................ 33

DISEÑO EXPERIMENTAL ...................................................................... 37 3.

Variables ................................................................................... 37 3.1

3.1.1 Variables independientes ........................................ 40

3.1.2 Variables dependientes ........................................... 40

Delimitación del campo de estudio ........................................... 41 3.2

Recurso humano disponible ..................................................... 42 3.3

Recursos materiales disponibles (equipo, material de vidrio, 3.4

reactivos) .................................................................................. 43

3.4.1 Materia prima y reactivos ........................................ 43

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III

3.4.2 Material de vidrio ..................................................... 44

3.4.3 Equipo ...................................................................... 45

3.4.4 Determinación de velocidad de sedimentación ....... 45

3.4.5 Diseño de equipo ..................................................... 45

Técnica cuantitativa .................................................................. 46 3.5

3.5.1 Diseño general ......................................................... 46

Recolección y ordenamiento de la información ........................ 47 3.6

Tabulación, orden y procesamiento de la información ............. 47 3.7

3.7.1 Recolección de la muestra ...................................... 48

3.7.2 Análisis fisicoquímico de la muestra ........................ 48

3.7.3 Dimensionamiento del sedimentador ...................... 57

Tabla de tabulación de datos .................................................... 60 3.8

Análisis estadístico ................................................................... 64 3.9

3.9.1 Media aritmética....................................................... 64

3.9.2 Análisis de variabilidad ............................................ 65

RESULTADOS ......................................................................................... 67 4.

Características físicas y químicas de la suspensión 4.1

proveniente del proceso de elaboración de ZnSO4 .................. 67

Correlación de los datos correspondientes a la velocidad de 4.2

sedimentación en función de la concentración ......................... 68

Diseño del sedimentador circular con las dimensiones 4.3

determinadas según pruebas de laboratorio ............................ 69

Construcción del equipo con base en el diseño ....................... 71 4.4

INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .................................................. 73 5.

CONCLUSIONES ............................................................................................... 79

RECOMENDACIONES ....................................................................................... 81

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 83

APÉNDICE .......................................................................................................... 85

ANEXOS ........................................................................................................... 109

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IV

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V

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1. Zonas de asentamiento de la pulpa alimentada ...................................... 7

2. Modelo de un tanque de sedimentación con floculante ........................ 13

3. Columna de sedimentación de laboratorio ............................................ 14

4. Sedimentación por zonas ...................................................................... 16

5. Curva de sedimentación ........................................................................ 20

6. Procedimiento gráfico para determinar GT ............................................ 23

7. Tipos de corriente debida al agua fría o caliente .................................. 26

8. Configuraciones de clarificadores circulares y patrones de flujo .......... 32

9. Diagrama de flujo de procesos .............................................................. 46

10. Velocidad de sedimentación en función de la concentración de los

lodos .................................................................................................. 68

11. Diseño final del sedimentador circular ................................................... 70

12. Vista frontal del equipo construido ........................................................ 71

13. Vista aérea del equipo construido ......................................................... 72

TABLAS

I. Clasificación de pulpas de sedimentación ............................................... 5

II. Definición operacional de las variables para el análisis químico de las

propiedades mineralógicas de los lodos residuales y diseño de

equipo .................................................................................................. 38

III. Concentraciones iniciales preparadas ................................................... 60

IV. Determinación cualitativa del olor .......................................................... 60

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VI

V. Determinación cualitativa del color ........................................................ 61

VI. Humedad e insolubles de la suspensión ............................................... 61

VII. Método de análisis de lodos residuales ................................................ 61

VIII. Diferencial de altura con respecto del tiempo de sedimentación de las

muestras ................................................................................................ 62

IX. Velocidad de sedimentación en función de la concentración ............... 62

X. Caudal de sólido en función de la concentración .................................. 63

XI. Comparación del área del clarificado y el área del espesado............... 63

XII. Dimensionamiento del sedimentador .................................................... 63

XIII. Cotización del equipo ............................................................................ 64

XIV. Caracterización física de la muestra recolectada .................................. 67

XV. Análisis químico de la muestra recolectada .......................................... 67

XVI. Comparación del área industrial de clarificado y área industrial de

espesado ............................................................................................... 69

XVII. Valores de diseño del sedimentador circular a escala piloto ................ 69

XVIII. Cotización del equipo y mano de obra .................................................. 71

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VII

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Significado

g Aceleración de la gravedad

A Área de paso

�̇� Caudal

cm3 Centímetros cúbicos

S Desviación estándar

oC Grado Celsius

L Litros

X̅ Media aritmética

m Metro

mg Miligramo

mm Milímetro

N Número de corridas

n Número de datos

pH Potencial de hidrógeno

Xi Valor de cada corrida

S2 Varianza de la muestra

𝑣 Velocidad de aproximación del fluido hacia la reja

V Velocidad de flujo a través del espacio entre barras

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VIII

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IX

GLOSARIO

Agente lixiviante Sustancia química que tiene la propiedad de disolver

selectivamente uno o más elementos presentes en

una roca o mineral.

Agua regia Mezcla de tres partes de ácido clorhídrico y una parte

de ácido nítrico.

Caudal del afluente Velocidad a la que se transporta una sustancia de

una línea de proceso al equipo sedimentador y se

expresa en términos de volumen/tiempo.

Densidad aparente Peso (W) de un objeto o material dividido por su

volumen exterior (Ve) menos el volumen de sus

poros abiertos (Vp).

Elutriación Es una operación de clasificación de partículas por

medio de una corriente ascendente de un fluido,

generalmente agua o aire. Es un proceso inverso a la

sedimentación por gravedad.

Espesamiento Procedimiento de eliminación del agua presente en

una pulpa mediante el asentamiento de las partículas

sólidas y decantación del líquido, en tanques

cilíndricos especiales denominados sedimentadores.

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X

Estratificación Proceso de arreglo de las rocas sedimentarias,

originado por algún cambio en la naturaleza de los

materiales que están siendo depositados o en las

condiciones del ambiente de sedimentación.

Hidrociclón Equipo usado para clasificación, en el cual el material

fluye dentro de un ciclón (contenedor cuya parte

inferior termina en forma de cono) bajo aceleración

provocada por la presión hidrostática, a través de un

conducto - inyector tangencial.

Lixiviación Proceso en el cual se retira uno o varios solutos de

un sólido mediante la utilización de un disolvente

líquido.

Muestreo Es un proceso selectivo de separación, realizado

sobre una porción dada de material (yacimiento, lote

original o muestra previa) con el objeto de reducir su

volumen, pero mantener sus características globales,

físicas, químicas o mineralógicas con el fin de

determinar las propiedades o composición del

material original.

Pulpa Mezcla de mineral molido o pulverizado con agua o

una solución acuosa.

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XI

RESUMEN

En el presente proyecto se diseñó y construyó un equipo de

sedimentación gravitacional tipo circular a escala piloto que sirvió para el

espesamiento de lodos residuales de un proceso de fabricación de ZnSO4 de la

planta Representaciones Químicas, S. A. La suspensión fue recolectada en la

parte final del proceso, específicamente en el tercer lavado del mineral.

La muestra se condujo al laboratorio para determinar sus propiedades

fisicoquímicas, obteniendo como datos relevantes de diseño la concentración

de sólidos iniciales y el porcentaje de humedad.

Se prepararon ocho suspensiones con concentraciones de sólidos

iniciales diferentes, comenzando desde 5%p/p hasta 20%p/p; a todas estas

suspensiones se les adicionó floculante, y con cada una se realizó el método de

tubo largo o ensayo de sedimentación de laboratorio para determinar su

velocidad de sedimentación. La concentración de los lodos se estableció como

la variable independiente, y la velocidad de sedimentación, se tomó como la

variable dependiente, considerada como el factor que es observado y medido

para determinar el efecto de la variable independiente.

Partiendo de la condición de que el tamaño del equipo se limita a una

escala piloto, se propuso una relación de escalamiento lineal de 4, es decir, se

trabajó con la cuarta parte del valor total del caudal en el afluente.

Con las curvas de velocidad de sedimentación trazadas, se procedió a

calcular el área mínima superficial de clarificación. Posteriormente, se trazó la

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XII

curva de flujo en discontinuo (método de Yoshioka & Dick), gráfico de GB en

función de Xi, y se determinó el área mínima superficial de espesado. Se

comparó el área de clarificado y espesado, se eligió la mayor de estas dos

áreas como área de diseño. Con base en este resultado, se determinó el área y

el diámetro del sedimentador, y con el tiempo de residencia, se estableció la

altura necesaria.

El material utilizado para la construcción del cuerpo del equipo fue la fibra

de vidrio. Este material es flexible, económico y no contamina las muestras por

trabajar. El costo total de construcción, incluyendo el pago de la mano de obra,

fue de Q13, 545.00 y se construyó con la ayuda de tres trabajadores en un

tiempo de tres semanas aproximadamente

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XIII

OBJETIVOS

General

Diseñar y construir un sedimentador circular a escala piloto para espesar

lodos residuales de un proceso de fabricación de ZnSO4 en una planta de

fertilizantes.

Específicos

1. Evaluar el comportamiento de una variable implicada en el

dimensionamiento de un sedimentador circular a escala laboratorio.

2. Diseñar un sedimentador circular con las dimensiones determinadas

según las pruebas de laboratorio.

3. Construir un sedimentador circular de acuerdo con el diseño elaborado.

4. Caracterizar los lodos residuales de un proceso de ZnSO4 a partir del Zn

mineral.

Hipótesis

Hipótesis científica

Incrementar el número de partículas en los lodos residuales, disminuye la

velocidad de descenso de cada partícula por separado, por lo que las

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XIV

suspensiones que poseen una alta concentración, presentan disminuciones en

la velocidad de sedimentación de las partículas.

Hipótesis estadística

Hipótesis nula:

A menor concentración inicial en los lodos residuales, disminuye la

velocidad de sedimentación de partículas.

Hipótesis alterna:

A mayor concentración inicial en los lodos residuales, disminuye la

velocidad de sedimentación de partículas.

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XV

INTRODUCCIÓN

La empresa guatemalteca de productos fertilizantes, Representaciones

Químicas, S. A. planta Palín, ha evolucionado gracias a la incorporación de

equipos industriales que ofrecen mejoras en los procesos de fabricación de

productos.

El área de investigación y desarrollo dio a conocer la necesidad de

construir un equipo que espese los lodos residuales obtenidos de un proceso de

fabricación de ZnSO4 a partir de mineral de Zn. El espesamiento se lleva a cabo

eliminando el contenido de humedad de los lodos, empleando un método físico

gravimétrico.

Esta investigación describe el fundamento teórico para construir un

sedimentador circular a escala piloto con la finalidad de ayudar a los accionistas

de la planta a diseñar un proceso de espesamiento de lodos residuales y

evidencia nuevas áreas de aplicación de los sedimentadores, pues estos se

emplean mayormente en el tratamiento de aguas o en la industria azucarera.

Son usados en menor porcentaje en otras tareas, como ejemplo, en el

espesamiento de lodos o minerales residuales de un proceso de fabricación de

fertilizante.

El diseño del equipo comprende una etapa de recopilación y estudio de

información relacionada con la teoría de sedimentación, operación unitaria que

consiste en la separación por la acción de la gravedad de las fases sólida y

líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y

un líquido claro. Dependiendo del producto de interés, se puede emplear un

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XVI

clarificador o un sedimentador. Ambos operan bajo el mismo principio, la

terminología sólo hace distinción de los resultados esperados.

Se prefiere espesar los lodos residuales del proceso de ZnSO4,

empleando un sedimentador tipo circular debido a que satisface las condiciones

del proceso de sedimentación mucho mejor que un equipo rectangular.

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1

ANTECEDENTES 1.

Es común que las industrias de fertilizantes utilicen operaciones físicas de

separación y concentración para los materiales que extraen, con el fin de

obtener productos valiosos y desechar los no deseados.

Son diversos los trabajos que se han llevado a cabo en materia de

sedimentación gravitacional, desde estudios que permiten determinar la

velocidad de sedimentación de partículas aisladas hasta investigaciones que

permiten correlacionar estos resultados con los de partículas que sedimentan

en bloques.

Teoría de Kynch (1952) 1.1

Kynch (1952) formuló una teoría para justificar la evolución de la

sedimentación de sólidos incompresibles, o sea en aquellos casos cuando las

partículas que entran en contacto unas con otras no sedimentan y, por tanto, la

suspensión alcanza la concentración máxima, que es igual a la crítica. La teoría

está basada en las siguientes hipótesis:

La concentración es uniforme en una capa horizontal.

Los efectos de pared son despreciables.

No hay diferencia en la velocidad de sedimentación de las partículas.

La velocidad de sedimentación depende únicamente de la concentración

de los sólidos.

La concentración inicial es uniforme al comienzo del experimento.

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2

En el fondo de la columna se forma una infinidad de capas de

concentración intermedia entre la inicial y la máxima que se puede

alcanzar, cuando las partículas entran en contacto unas con otras.

La velocidad de sedimentación tiende hacia cero cuando la

concentración se aproxima a su límite superior.

Aportación propuesta por Font (1988, 1989, 1990, 1991) 1.2

Font (1988) considera que algunas características se elevan

tangencialmente desde el sedimento. En el análisis se asume la teoría de

Kynch en la zona de no compresión, y considera que los sedimentos son más o

menos compresibles, de forma que siguiendo un desarrollo similar al de Tiller, y

admitiendo los razonamientos de Fitch, llega a deducir una ecuación que puede

aplicarse directamente para determinar la concentración de sólidos en la zona

III. En la zona de no compresión el fluido circula hacia arriba entre los

agregados o flóculos, los cuales no interactúan entre sí, por tanto no transmiten

presión. En la zona de compresión los flóculos se unen para formar una

estructura de red porosa, en donde el peso de las capas superiores obliga al

líquido a circular hacia arriba a través de los canales formados. El sedimento se

comporta como un medio poroso, cuya permeabilidad disminuye conforme se

avanza hacia el fondo.

Otros estudios relacionados con la sedimentación 1.3

De los estudios en los que se describe el paso de las partículas aisladas,

destaca el de Alonso (1984) en el cual se determinaron fórmulas directas para

estimar la velocidad de sedimentación para partículas regulares e irregulares

(se logró la deducción de fórmulas para partículas elipsoidales, ortotrópicas,

isométricas, irregulares naturales e irregulares molidas).

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3

Con el objetivo de examinar experimentalmente el efecto de la

concentración de partículas suspendidas sobre la velocidad de sedimentación y

encontrar un método satisfactorio para correlacionar los resultados,

Richardson y Zaki (1954) realizaron un estudio de la sedimentación y de la

fluidización sólido-líquido con partículas esféricas, obteniendo una ecuación

empírica que se emplea generalmente para relacionar la velocidad de una

suspensión (Vc), con la velocidad de sedimentación de una partícula (Vt) y la

porosidad del lecho (ε), denominada ecuación de Richardson y Zaki:

𝑉𝐶 = 𝑉𝑡 ∗ 𝜀𝑛

[Ecuación No. 1]

Donde

n = es el valor de la pendiente de la recta que obtuvieron Richardson y Zaki en

sus investigaciones

Por otra parte, Alayon (1996) estudió la influencia de la concentración en

la velocidad de sedimentación y determinó que con un incremento de la misma

en la suspensión, disminuye la velocidad de sedimentación.

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4

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5

MARCO TEÓRICO 2.

Sedimentación 2.1

La sedimentación es la separación parcial de las partículas sólidas

suspendidas en un líquido, mediante asentamiento por gravedad. Este campo

se puede dividir entre las dos operaciones funcionales de espesamiento y

clarificación. El objetivo principal del espesamiento es incrementar la

concentración de los sólidos en suspensión en la corriente de alimentación, en

tanto que el de la clarificación es eliminar una cantidad relativamente pequeña

de partículas suspendidas y obtener un efluente claro. Esas dos funciones son

similares y ocurren en forma simultánea y la terminología solo hace distinción

entre los resultados deseados del proceso primario. Por lo general, los

mecanismos de espesamiento están diseñados para los requerimientos de

trabajo más pesados impuestos por una gran cantidad de pulpa relativamente

concentrada, en tanto que, casi siempre, los clarificadores incluyen aspectos

que aseguran esencialmente la eliminación completa de los sólidos en

suspensión, como, por ejemplo, mayor profundidad, provisiones especiales para

la coagulación o floculación de la suspensión de alimentación y una longitud

mayor del vertedero de sobreflujo. Los clarificadores manejan pulpas de la clase

1 y algunas de la clase 2, mientras que los espesadores reciben algunas pulpas

de la clase 2 y todas las de la clase 3 y la 4.

Tabla I. Clasificación de pulpas de sedimentación

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6

Fuente: GREEN, DON W., PERRY, ROBERT H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th

Edition. p. 253.

Los tipos de sedimentación que se encuentran en la tecnología de un

proceso se ven considerablemente afectados no solo por los factores obvios –el

tamaño de partícula, la viscosidad del líquido, las densidades de la solución y el

sólido- sino también por las características de las partículas en el precipitado.

Estas propiedades, así como los requerimientos del proceso, ayudan a

determinar tanto el tipo de equipo que logre los objetivos deseados en forma

Descripción de la

pulpa

Descripción de la

sedimentación inicialEjemplo

Métodos para

determinar el

área unitaria

Métodos para

determinar la altura

de la zona de

compresión

Diluida, de clase 1;

asentamiento

independiente de

partículas

Las partículas o los grumos

se asientan

independientemente. No hay

línea definida de

asentamiento. La velocidad de

asentamiento depende

primordialmente del tamaño

de las partículas o los

grumos.

Agua turbia y

desechos

comerciales.

Limo.

Tubo largo Coe y Clevenger,

Roberts

Intermedia, clase 2;

asentamiento

colectivo o en masa

Zona superior de

asentamiento independiente

de partículas. Zona inferior de

asentamiento colectivo. Línea

de separación no muy

definida.

Pulpas químicas

y metalúrgicas.

Aguas de

alcantarillado.

Polvos de

combustión.

Tubo largo, Coe y

Clevenger, Kynch

(Talmage y Fitch)

Coe y Clevenger,

Roberts

Concentrada, clase

3; asentamiento

colectivo o en masa

Línea definida de

asentamiento. La velocidad de

asentamiento disminuye al

aumentar la concentración de

sólidos. Velocidad de

asentamiento retrasado por

interferencia de las partículas

o los grumos.

Pulpas químicas

y metalúrgicas.

Lodo activado.

Coe y Clevenger,

Kynch (Talmage y

Fitch)

Coe y Clevenger,

Roberts

Compacta, clase 4;

asentamiento

compacto

Grupos o partículas en

asentamiento de contacto

íntimo, debido a la

compresión.

Todas las pulpas

por

sedimentación

llegan a esto.

Coe y Clevenger Coe y Clevenger,

Roberts

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7

más eficaz como los métodos de prueba por utilizar para la selección del

equipo.

Figura 1. Zonas de asentamiento de la pulpa alimentada

Fuente: GREEN, DON W., PERRY, ROBERT H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th

Edition. p. 255.

Tipos de sedimentación 2.2

Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de

sedimentación, dependiendo de la naturaleza de los sólidos presentes en

suspensión.

2.2.1 Sedimentación discreta

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8

Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, o sea, no se

someten a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso, las

propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma, peso específico) no

cambian durante el proceso. Este tipo de sedimentación ocurre en una

suspensión con baja concentración de sólidos. Las partículas sedimentan como

entidades individuales y no existe interacción sustancial con las partículas

vecinas. Situación en que se presenta: eliminación de las arenas del agua

residual.

2.2.2 Sedimentación con floculación

Se refiere a una suspensión bastante diluida de partículas que se agregan

o floculan durante el proceso de sedimentación. Al unirse, las partículas

aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. La aglomeración de las

partículas va acompañada de cambios en la densidad y en la velocidad de

sedimentación o precipitación. La sedimentación que se lleva a cabo en los

clarificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo de este proceso.

Situación en que se presenta: Eliminación de una fracción de los sólidos en

suspensión del agua residual bruta en los tanques de sedimentación primaria, y

en la zona superior de los decantadores secundarios. También elimina los

flóculos químicos de los tanques de sedimentación.

2.2.3 Sedimentación por zonas

Se refiere a suspensiones de concentración intermedia, en las que las

fuerzas entre partículas son suficientes para entorpecer la sedimentación de las

partículas vecinas. Las partículas tienden a permanecer en posiciones relativas

fijas, y la masa de partículas sedimenta como una unidad. Se desarrolla una

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9

interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa que sedimenta. Las

partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total

presentando una interfase distinta con la fase líquida. Dentro del sedimentador

se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente concentración de

sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación. Presenta

velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación libre. Situación

en que se presenta: en los tanques de sedimentación secundaria empleados en

las instalaciones de tratamiento biológico. En la sedimentación de los flóculos

de alúmina en los procesos de tratamientos de agua.

Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede

clasificarse en los siguientes tipos:

Sedimentación intermitente: el flujo volumétrico total de materia fuera

del sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de

sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde

la suspensión se deja reposar.

Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta

continuamente y se separa en un líquido claro y una segunda suspensión

de mayor concentración. Transcurre en régimen estacionario.

Teoría de la sedimentación discreta 2.3

El fundamento para la sedimentación de partículas discretas es la ley de

Newton, que se basa en la suposición de que las partículas son esféricas con

diámetros homogéneos. Cuando una partícula se sedimenta, va acelerándose

hasta que las fuerzas que provocan la sedimentación, en particular el peso

efectivo de la partícula, se equilibran con las resistencias o fuerzas de fricción

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10

ofrecidas por el líquido. Cuando se llega a este equilibrio, la partícula alcanza

una velocidad de sedimentación constante, denominada velocidad final de

sedimentación de la partícula.

Si se considera que una partícula que ha alcanzado su velocidad final,

puede escribirse el equilibrio de fuerzas correspondiente. La fuerza que provoca

la sedimentación, en este caso el peso efectivo de la partícula, es la diferencia

entre su peso y el empuje hidrostático:

𝐹𝑠 = 𝑣𝜌𝑠𝑔 − 𝑣𝜌𝐿𝑔 = (𝜌𝑠 − 𝜌𝐿)𝑔𝑣

[Ecuación No. 2]

Donde:

Fs = peso efectivo de la partícula

ρs = densidad de la partícula

ρL = densidad del líquido

g = aceleración de la gravedad

v = volumen de la partícula, 1/6ρd3, donde “d” es el diámetro de la partícula

esférica

La fuerza de resistencia que trata de impedir la sedimentación:

𝐹𝐷 = 𝐶𝐷𝐴(𝜌𝐿𝑉2/2)

[Ecuación No. 3]

Donde:

FD = es la fuerza de resistencia

CD = es el coeficiente de fricción

A = es el área proyectada de la partícula, A=1/4ρd3

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11

V = es la velocidad relativa entre la partícula y el fluido

Para las condiciones que definen la velocidad final de sedimentación,

FS=FD, con lo cual las ecuaciones anteriores dan:

(𝜌𝑠 − 𝜌𝐿)𝑔𝑣 = 𝐶𝐷𝐴(𝜌𝐿𝑉2𝑠/2)

[Ecuación No. 4]

Donde:

V = Vs = Velocidad de sedimentación

Se sustituye V = 1/6ρd3, A = 1/4ρd2, y se resuelve esta ecuación para la

velocidad final:

𝑉𝑠 = [4

3(

𝑔

𝐶𝐷)

𝜌𝑠−𝜌𝐿

𝜌𝐿𝑑]

1

2;

[Ecuación No. 5]

Muchos problemas de sedimentación en los tratamientos de aguas

residuales se presentan en la zona de Stokes. Sustituyendo CD = 24/NR =

24(µL/d)(Vs)(ρ)(L) en la ecuación no. 4 y simplificando, se obtiene la Ley de

Stokes:

𝑉𝑆 = (1

18)

𝜌𝑠 − 𝜌𝐿

𝜂𝐿𝑔𝑑2

[Ecuación No. 6]

Donde:

Vs = Velocidad de sedimentación de la partícula

ρs = densidad de la partícula

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12

ρL = densidad del líquido

𝜂𝐿 = Viscosidad del líquido

d = diámetro de la partícula

Acorde con lo visto, las condiciones que deben cumplirse para que sea

legítimo utilizar esta expresión son las siguientes:

Velocidad de la esfera constante.

Líquido infinito, en reposo en el infinito.

Número de Reynolds pequeño (Re˂0.5)

Teoría de sedimentación con floculación 2.4

Se denominan suspensiones coloidales (o coloides) a los sistemas físico-

químicos estables formados por dos fases: una continua, normalmente fluida, y

otra dispersa (en menor proporción) en forma de partículas, por lo general

sólidas. La teoría de la estabilidad de los coloides se conoce como la teoría de

la doble capa eléctrica, debido a cómo se modela la superficie intermedia entre

la partícula coloidal y el seno del líquido. La primera teoría sobre la doble capa

eléctrica la propuso Helmholtz en 1879, y fue modificada, posteriormente, por

varios investigadores como Gouy, Chapman y Stern. Parte de la base es que

las cargas superficiales de la partícula coloidal atraen iones de carga opuesta,

estableciéndose un estado de carga neutra entre la partícula y su alrededor

inmediato.

En esta zona de carga neutra, el continuo movimiento de las moléculas de

agua impone la existencia de una capa difusa de cargas eléctricas que se

extienden hacia el seno del agua. Aparecen así varias zonas que se

denominarán:

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13

Capa superficial del coloide (carga negativa), donde existe un potencial

eléctrico denominado Potencial de Nernst.

Capa de Stern, constituida por cargas de signo positivo, atraídas

fuertemente por la superficie coloidal, donde el potencial eléctrico se

denomina potencial de Stern.

Capa difusa de Gouy-Chapman, constituida por el resto de iones móviles,

hasta la superficie neutra del líquido.

La sedimentación con floculación tiene lugar cuando la velocidad de

sedimentación de las partículas aumenta, debido a efectos de coalescencia con

otras partículas. Un diagrama de sedimentación con floculación es el que se

muestra en la figura 2. Las trayectorias de sedimentación de las partículas

tienen forma curva, en lugar de las líneas rectas que se producen en la

sedimentación de partículas discretas.

Figura 2. Modelo de un tanque de sedimentación con floculante

Fuente: R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas. p. 95.

Los criterios de diseño para sistemas en los que se hace una

sedimentación con floculación se establecen a través de ensayos de

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14

sedimentación en laboratorio. En la figura 2 se muestra una columna típica de

sedimentación de laboratorio. La concentración de sólidos en suspensión se

mantiene uniforme en la columna, al principio de los ensayos, por medio de un

agitador portátil. La altura de la columna es aproximadamente la misma que la

del tanque de sedimentación que se pretende diseñar. La temperatura se

mantiene constante durante los ensayos. Con fines prácticos se puede disponer

de una columna de sedimentación (figura 3) de unos 2.4 metros de altura,

disponiendo de aberturas para muestreo a profundidades de 0.6, 1.2, 1.8 y 2.4

metros. Los datos obtenidos en dichos puntos se utilizan para determinar la

velocidad de sedimentación y su relación con el tiempo de retención.

Figura 3. Columna de sedimentación de laboratorio

Fuente: Maldonado. R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas. p. 103.

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15

Etapa 1. Rellenar la columna con el agua residual, manteniendo una

concentración uniforme de sólidos en suspensión a lo largo de la misma. Para

mantener la muestra homogénea, debe usarse un agitador portátil.

Etapa 2. Quitar el agitador del cilindro o columna. En cada una de las aberturas

de muestreo, establecer la concentración de sólidos en suspensión en

momentos determinados.

Teoría de la sedimentación por zonas 2.5

La sedimentación por zonas se presenta en clarificadores o

sedimentadores con lodos coagulados químicamente, o activos con

concentraciones que exceden los 500 mg/L. La capa de lodos presenta varias

zonas perfectamente diferenciadas. Cada zona se caracteriza por una

concentración específica en lodos y por una velocidad de sedimentación

determinada. Se estudia lo que ocurre cuando una suspensión que tiene una

concentración en lodos uniforme xo (mg/l) se coloca en un cilindro de

sedimentación (figura 4).

Los lodos comienzan a precipitarse, estableciéndose una interfase

(interfase 1) entre la superficie de la capa de sólidos que están sedimentándose

y el líquido clarificado que se presenta en la parte superior. La zona inferior del

líquido clarificado es lo que se denomina zona interfacial. La concentración de

lodos en esta zona es uniforme, precipitándose todo ello como una capa de

materia a velocidad constante (Vs). Simultáneamente a la formación de la

interfase 1 y de la zona interfacial, empieza una compactación de los sólidos en

suspensión en el fondo del cilindro (zona de compactación). En esta zona la

concentración de sólidos en suspensión es también uniforme, y la interfase que

bordea esta zona (interfase 2) avanza en el cilindro con una velocidad

constante (�̅�).

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16

Entre la zona interfacial y la zona de compactación hay una zona de

transición. En la misma, la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye

debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión. En

esta misma zona, el lodo cambia gradualmente de concentración entre la

correspondiente a la zona interfacial a la de la zona de compactación.

Figura 4. Sedimentación por zonas

Fuente: R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas residuales. p. 110.

Si se consideran las interfases 1 y 2, se puede obtener la figura 4b. La

interfase 1 se mueve hacia abajo con una velocidad constante Vs, mientras que

la interfase 2 se mueve hacia arriba con una velocidad constante �̅�.

Eventualmente, las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a

encontrarse en un momento crítico (tc), y la zona de transición desaparece

(figura 4c). En este momento, el lodo sedimentado tiene una concentración

uniforme xc, que se denomina concentración crítica. Empieza la compactación y

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17

el lodo comienza a espesarse, alcanzando eventualmente la concentración final

xu (figura 4d). La velocidad de sedimentación en el momento tc corresponde a

un valor Vc, dado por la pendiente de la tangente a la curva de sedimentación

en el punto C, tal y como se indica en la figura 4, donde Vc < Vs. El

procedimiento para diseñar clarificadores que operen en estas condiciones de

sedimentación por zonas es el siguiente:

Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir

la clarificación del lodo.

Calcular el área de la superficie mínima requerida para conseguir el

espesamiento de los lodos y alcanzar las concentraciones deseadas.

Considerar la mayor de estas dos áreas como área de diseño para el

clarificador.

Coagulación 2.6

Se denomina coagulación al proceso de desestabilización y posterior

agregación de partículas en suspensión coloidal presentes en el agua, para

potenciar la etapa de decantación o espesado en la que esas partículas deben

separarse del agua. La desestabilización se consigue neutralizando sus cargas

eléctricas, con lo que dejan de actuar las fuerzas de repulsión, su potencial Zeta

se anula y los coloides tienden a agregarse por acción de masas.

El objetivo de la coagulación es cambiar las propiedades de los elementos

insolubles, de modo que sean más fácilmente separables. Como es mucho más

sencillo separar partículas grandes y pesadas que partículas ligeras y de poca

superficie específica, el proceso de coagulación tenderá a agrupar partículas

pequeñas en otras mayores y, por tanto, más sólidas, que se denominan

flóculos, para así separarlas más fácilmente.

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18

Los tamaños de partícula que podemos encontrar son los siguientes:

Partículas que están en forma de suspensión, de tamaño >10-7 m

Las que forman solución coloidal, de tamaño entre 10-7 y 10-9 m

Aquellas que forman una verdadera solución, de tamaño ˂10-9 m

De esta manera, la coagulación consigue que el sistema sea inestable con

el resultado final de la agregación de partículas.

Este proceso se centra en aquellas partículas cuyos tamaños oscilan entre

10-4 y 10-9 m (partículas en suspensión y soluciones coloidales), no separables

por decantación (gravedad) o por filtración.

Floculación 2.7

La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en

microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse

en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados

decantadores. El proceso de floculación es precedido por el de coagulación, por

eso suele hablarse de procesos de coagulación - floculación. La coagulación es

la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un

reactivo químico (coagulante) que, neutralizando las cargas electrostáticas,

hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.

En el proceso de floculación es importante conseguir la formación del

flóculo de mayor peso y cohesión posible ya que estas características facilitan

su eliminación. En general, algunos de los siguientes medios favorecen el

engrosamiento y, consecuentemente, la sedimentabilidad del flóculo:

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19

Una coagulación previa tan perfecta como sea posible.

Un aumento de la cantidad de flóculos en el agua. Así, conviene poner el

agua en contacto con los precipitados ya formados por el tratamiento

anterior (recirculación de fangos, lecho de fangos, etc.), tratando de

conseguir la mayor concentración posible.

Una agitación lenta y homogénea del conjunto con el fin de aumentar las

posibilidades de que las partículas coloidales descargadas

eléctricamente se encuentren con un flóculo.

El empleo de ciertos productos llamados floculantes.

Cálculo del área superficial del sedimentador 2.8

El procedimiento para diseñar sedimentadores que operen en condiciones

de sedimentación por zonas es el siguiente:

Calcular el área de la superficie mínima que se requiere para conseguir

la clarificación del lodo.

Calcular el área de la superficie mínima requerida para conseguir el

espesamiento de los lodos y alcanzar las concentraciones deseadas.

Considerar la mayor de estas dos áreas como área de diseño para el

sedimentador.

Medidas en laboratorio 2.9

Para obtener los parámetros necesarios para el diseño del sedimentador,

puede llevarse a cabo un ensayo de sedimentación en el laboratorio, para el

vertido considerado, usándose probetas graduadas de 1000 ml (la probeta

graduada normalizada tiene una altura de 34 cm). La probeta se llena con el

vertido por estudiar. Al comienzo del experimento (t=0), la concentración del

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20

vertido es uniforme dentro del cilindro. La altura de la interfase 1 se va

registrando a intervalos de tiempo seleccionados. Es importante remover la

suspensión con agitadores y a una velocidad de 5 rph. Esta agitación simula la

acción de los rastrillos mecánicos utilizados para la separación de los lodos y

evita la estratificación de los mismos.

La figura 5 muestra que a partir del comienzo del experimento hasta el

tiempo t1, la interfase 1 cae con una velocidad constante Vs dada por la

pendiente de la tangente, que esencialmente coincide con la curva de

sedimentación de t=0 a t=t1. Después de t=t1, esta velocidad disminuye

apreciablemente. En el momento t=tc, la velocidad es Vc que viene dada por la

pendiente de la tangente en el punto C. En el tiempo tc empieza la

compactación y la velocidad se reduce hasta hacerse prácticamente 0, en cuyo

caso la tangente se hace paralela a las abscisas.

Figura 5. Curva de sedimentación

Fuente: R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas. p. 130

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21

La velocidad de sedimentación por zonas (VSZ) corresponde a la

velocidad a la cual las partículas en suspensión se sedimentan antes de

alcanzar la concentración crítica xc, y viene dada por la pendiente de la

tangente AB en la figura 5:

𝑉𝑠 = 0𝐴̅̅̅̅ 0𝐵̅̅̅̅⁄ = 𝐻𝑜/𝑡

[Ecuación No. 7]

Las determinaciones de laboratorio de la velocidad de sedimentación

zonal deberían repetirse con lodos de diferentes concentraciones iniciales xo

(mg/L) de sólidos en suspensión. Esto pondría a disposición una familia de

curvas de posible utilidad. Los valores de Vi (VSZ) se obtienen sin más que

dibujar las tangentes de la sección inicial de cada una de estas curvas, y

utilizando la ecuación 6.

Determinación del área mínima requerida para conseguir la 2.10

clarificación de los lodos

El área mínima requerida Ac para la clarificación depende de la velocidad

Vs para la cual las partículas en suspensión se sedimentan antes de alcanzar la

concentración crítica interfacial xc. En condiciones de caudal constante, la

velocidad del agua sobre el vertedero no debe exceder de Vs si se quiere

obtener la clarificación. Esto se deriva directamente del concepto básico de

tanque de sedimentación ideal.

En consecuencia:

𝐴𝑐 = 𝑄𝑒 𝑉𝑠⁄

[Ecuación No. 8]

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22

Donde:

Qe = caudal, m3/hora

Vs = velocidad en la zona de sedimentación por zonas, m/min

Ac = área mínima requerida para la clarificación, m2

El valor de la velocidad en la zona de sedimentación Vs viene determinado

por la curva que corresponde a una concentración de sólidos xo en el afluente.

El valor de t se lee directamente de la abscisa (punto B). Vs se calcula entonces

a partir de la ecuación 6 y Ac se puede obtener de la ecuación 7.

Determinación del área mínima requerida para conseguir el 2.11

espesamiento del lodo

2.11.1 Método de Yoshioka & Dick

El hecho de que el área de la sección del clarificador pueda calcularse

para asegurar que se consigue una clarificación, en la forma descrita en el

apartado anterior, no significa que se alcanza la deseada concentración en

sólidos en el lodo de salida, xu. De hecho, el área de la sección requerida para

el espesamiento es normalmente mayor que la requerida para la clarificación.

El procedimiento gráfico desarrollado por Yoshioka & Dick para la

determinación de la sección mínima requerida para el espesamiento está

basado en ciertas consideraciones. En primer lugar hay que considerar que los

ensayos de sedimentación llevados a cabo en laboratorio no corresponden a un

funcionamiento en continuo. La capacidad del clarificador para arrastrar los

sólidos a su parte inferior, con una concentración xi, por gravedad, en un

funcionamiento discontinuo, viene dada por:

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23

𝐺𝐵 = 𝑋𝑖 ∗ 𝑉𝑖

[Ecuación No. 9]

Donde:

GB = caudal de sólido (kg/m2d)

Xi= concentración de sólidos en el lodo (mg/l), lo que requiere dividir por el

factor 1000, para obtener valores de kg/m3

Vi = velocidad de sedimentación en la zona para una concentración Xi (m/min).

Hay que multiplicar por 1440 para pasar a m/día

A partir de la ecuación 8 puede obtenerse la curva de flujo discontinuo. La

figura 6 representa una curva típica GB en función de Xi.

Figura 6. Procedimiento gráfico para determinar GT

Fuente: R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas. p. 135.

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24

Al considerar la curva de flujo discontinuo de la figura 6, se supone que xu

es la concentración deseada de sólidos en los lodos por extraer, especificada

por el diseñador. Señalar este valor en las abscisas de la figura 6. La

construcción gráfica que corresponde a este valor xu es la indicada en la figura 6

por las líneas de trazo continuo (-------). Desde xu trazar una tangente a la curva

de flujo discontinuo tal y como se indica. T es el punto de tangencia. La

intersección de esta tangente con las ordenadas permite establecer la distancia

0B, que corresponde al caudal de sólidos límite que puede permitirse para

obtener la concentración en los lodos extraídos xu.

En resumen, el procedimiento gráfico para determinar la sección mínima

At, que se requiere para el espesamiento, debe ser el siguiente:

Paso 1. Construir la curva de flujo de circulación de sólidos en

discontinuo, a partir de la ecuación 8 utilizando el VSZ (Vi) obtenido de los

ensayos de laboratorio en discontinuo para diferentes concentraciones de

sólidos X.

Paso 2. A partir del valor específico de la concentración de los lodos

extraídos, xu, en la abscisa, trazar una tangente a la curva de flujo discontinuo.

La intersección de esta tangente con el eje de ordenadas dará el flujo total de

sólidos GT.

Paso 3. El área mínima que se requiere para el espesamiento se puede

obtener de la ecuación:

𝐴𝑡 =𝑀

𝐺𝑇=

𝑄𝑜 ∗ 𝑋𝑜

𝐺𝑇

[Ecuación No. 10]

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25

Donde:

Q0 = el caudal del afluente

X0 = la concentración de sólidos en el afluente

Luego de determinar el área mínima necesaria para clarificar y

sedimentar, se elige la mayor. Se calcula el diámetro con base en el área

elegida para obtener el primer dato de dimensionamiento del sedimentador. La

altura del sedimentador no se calcula con algún procedimiento específico, pues

no es condicionante para el diseño, pero según el Manual del ingeniero

químico, en los clarificadores y sedimentadores, la altura oscila desde 15% a

25% del diámetro.

Para el cálculo del área industrial se multiplicará el mayor valor de Ai

obtenido por un coeficiente que varía entre 1.2 y 1.4, es tomado normalmente el

valor de 1.2.

Factores de sedimentación 2.12

La sedimentación de las partículas depende de los siguientes factores:

2.12.1 Calidad del agua

Las variaciones de concentración de materias en suspensión modifican,

en primer lugar, la forma de sedimentación de las partículas (con caída libre o

interferida), así como las propiedades de las partículas modifican la forma de

depósito (sedimentación para partículas discretas y decantación para partículas

floculentas). Adicionalmente, variaciones de concentración de partículas o de

temperatura producen variaciones de densidad del agua y originan corrientes

cinéticas o térmicas que, a su vez, generan cortocircuitos hidráulicos en las

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26

unidades. Al entrar agua más fría al sedimentador, la masa de agua se

desplaza por el fondo de este y produce el tipo de corriente indicada en la figura

7a.

En cambio, con agua más caliente se produce el fenómeno inverso que

aparece indicado en la figura 8b. En el caso de variar la concentración, se

producen corrientes por diferencias de densidad en las distintas masas de

agua, que suelen crear fuerzas más importantes que las térmicas.

Afortunadamente, la mayor concentración de partículas suele estar en el fondo,

pero cualquier perturbación en el flujo, ya sea por temperatura, obstrucciones,

alta velocidad de las paletas del floculador, etcétera, puede alterar el equilibrio y

producir un flujo sinuoso o envolvente sobre sí mismo, muy diferente del teórico

calculado, que es el que con frecuencia aparece en los sedimentadores

horizontales, incluso en los bien diseñados.

Figura 7. Tipos de corriente debida al agua fría o caliente

(a) Debidas a agua fría (b) Debidas a agua caliente

Fuente: L. McCABE, Warren, C. SMITH, Julian, HARRIOT, Peter. Operaciones unitarias en

ingeniería química. p. 148.

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27

2.12.2 Condiciones hidráulicas

Los criterios y parámetros hidráulicos de diseño tienen gran influencia en

la eficiencia de los sedimentadores o decantadores. A continuación se detallan

los principales.

2.12.2.1 En la zona de sedimentación

En esta zona se debe tener un número de Reynolds lo más bajo posible y

el número de Froude más elevado para tender a un flujo laminar y estabilizar el

flujo. En esta zona las líneas de flujo no deben encontrarse con ningún tipo de

obstrucciones que alteren su trayectoria. Adicionalmente, la presencia de flujo

de pistón mejora el proceso y el flujo mezclado no lo favorece.

2.12.2.2 En la zona de entrada

La zona de entrada en un sedimentador es un conjunto de estructuras que

debe permitir una distribución uniforme del flujo de agua hacia la zona de

sedimentación. En una unidad de sedimentación convencional de flujo

horizontal, esta distribución uniforme debe darse a todo lo ancho de la unidad y

en profundidad. Las alteraciones del flujo en la zona de entrada deben evitarse

y su presencia puede deberse a una velocidad excesiva del flujo en la entrada

del sedimentador, o a que los orificios de ingreso sean muy grandes y el

movimiento de las paletas del floculador sea tal que comunica demasiada

energía al flujo. Al no haber disipación de esta energía en el tabique divisorio

(caso de unidades convencionales de flujo horizontal), las masas de agua

entran con diferente gradiente de velocidad, creando turbulencias que pueden

extenderse dentro de la zona de sedimentación.

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28

Similarmente, puede mencionarse como causa de corrientes cinéticas la

distribución desigual del flujo en la entrada del sedimentador (orificios de

distintos diámetros o algunos parcialmente obstruidos), la existencia de

tabiques que dejan pasar el agua solamente por el fondo, vertederos, etcétera,

lo que produce que adicionalmente modifiquen el tiempo de retención.

2.12.2.3 En la zona de salida

Esta zona se caracteriza por permitir una recolección uniforme de agua

sedimentada a una velocidad tal que evite arrastrar flóculos en el efluente.

Canaletas de pequeña longitud, mal ubicadas, mal niveladas o impropiamente

diseñadas producen cortocircuitos hidráulicos y zonas muertas que pueden

inutilizar grandes áreas de los sedimentadores.

2.12.3 Factores externos

Paradójicamente, los factores externos al proceso de sedimentación

(procesos previos a la sedimentación), prácticas operacionales y factores

ambientales son los que tienen más influencia en la eficiencia de un

sedimentador o decantador.

Buena o inadecuada coagulación y floculación ocasionan,

respectivamente, altas o bajas eficiencias en los decantadores. Idéntico

comentario cabe realizar acerca de la operación y el estado de la unidad, así

como de los programas de mantenimiento existentes. A la vez, el viento, al

soplar sobre la superficie de los sedimentadores, puede producir corrientes de

suficiente intensidad como para inducir cambios en la dirección del flujo y alterar

el precario equilibrio de las masas de agua. En unidades grandes el viento

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29

puede crear oleajes de cierta magnitud, lo que interfiere el proceso o

desequilibra la distribución del flujo en las canaletas de salida.

Parámetros que se consideran para diseñar un tanque de 2.13

sedimentación

Los principales parámetros de diseño para los tanques de sedimentación

son:

Tiempo de retención

Velocidad de arrastre

Carga superficial

Flujo en el tanque

Área

Profundidad

Tiempo de llenado

El parámetro que define la sedimentación normalmente es la velocidad de

arrastre. Además, el parámetro que establece las características del equipo es

el tiempo de retención.

Algunos de los parámetros más importantes en el diseño de tanques de

sedimentación son:

2.13.1 Tiempo de retención

Se define como el volumen del tanque de decantación dividido por el

caudal.

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30

2.13.2 Carga superficial o velocidad ascensorial

Se define como el caudal de agua por tratar dividido por la superficie del

tanque de sedimentación.

2.13.3 Velocidad de arrastre

Es importante en las operaciones de sedimentación. Las fuerzas

actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del

agua que fluye sobre las mismas. En las redes de alcantarillado, es necesario

mantener velocidades elevadas para que las partículas no sedimenten. En los

tanques de sedimentación las velocidades horizontales se deben mantener a

niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo

del tanque.

Sedimentador 2.14

Los sedimentadores se utilizan, por lo general, con suspensiones con

tamaño de partícula entre 0.05 mm y 0.2 mm, principalmente en las corrientes

de procesos industriales y en los desperdicios industriales locales, y su

propósito primario es producir una descarga con lodo más concentrados. Los

sedimentadores son esencialmente idénticos a los clarificadores en lo que

respecta a diseño y arreglo, salvo que utilizan un mecanismo de construcción

más cargado y una cabeza de impulso con una capacidad de torque mayor.

Estas diferencias se permiten porque en las aplicaciones de sedimentación la

pulpa espesada tiene una concentración de sólidos en suspensión mucho

mayor. Por consiguiente, el costo instalado de un sedimentador es de,

aproximadamente, 5 a 10% superior al de un clarificador con un tanque de las

mismas dimensiones.

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31

2.14.1 Componentes

Esta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas.

Zona de entrada: estructura hidráulica de transición que permite una

distribución uniforme del flujo dentro del sedimentador.

Zona de sedimentación: consta de un canal con volumen, longitud y

condiciones de flujo adecuados para que sedimenten las partículas. La

dirección del flujo es horizontal y la velocidad es la misma en todos los

puntos, flujo pistón.

Zona de salida: constituida por un vertedero, canaletas o tubos con

perforaciones que tienen la finalidad de recolectar el efluente sin

perturbar la sedimentación de las partículas depositadas.

Zona de recolección de lodos: constituida por una tolva con capacidad

para depositar los lodos sedimentados, y una tubería y válvula para su

evacuación periódica.

2.14.2 Criterios de diseño

El período de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos,

es de 8 a 16 años.

El número de unidades mínimas en paralelo es de dos para efectos de

mantenimiento.

El período de operación es de 24 horas por día.

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32

El tiempo de retención será entre 1-6 horas.

El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para

facilitar el deslizamiento del sedimento.

Figura 8. Configuraciones de clarificadores circulares y patrones de

flujo

Fuente: PERRY, Robert H., GREEN, Don W. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th

Edition. McGraw-Hill. 2008. p. 115.

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33

2.14.3 Materiales de construcción

La materia prima para la construcción de sedimentadores circulares se

puede revestir de acero al carbono. Un recubrimiento común especificado en

los Estados Unidos de América es de alquitrán de hulla epóxico.

También se utiliza acero galvanizado. Este material tiene mayor aplicación

en Europa. Una desventaja de este revestimiento es que puede ser rayado o

dañado en el transporte y en la instalación. Sin embargo, si es instalado

adecuadamente y protegido, ofrece una buena resistencia a la corrosión.

El uso de acero inoxidable ha aumentado en los últimos años para

proporcionar un mecanismo de protección contra la corrosión adicional para

sedimentadores circulares.

La fibra de vidrio y los plásticos también han aumentado en popularidad

como materiales de construcción para tanques circulares. La fibra de vidrio se

utiliza comúnmente para placas de presa y deflectores de espuma, también se

utiliza ampliamente ahora para la construcción de deflectores de floculación.

Las plataformas y pasarelas centrales de sedimentadores son a veces de fibra

de vidrio. El aluminio también se utiliza en esta área.

Escalonamiento 2.15

2.15.1 Escala laboratorio y planta piloto

El término “escala laboratorio” se refiere a todo experimento o proceso que

puede trabajarse y/o manipularse dentro de un laboratorio mientras que una

planta piloto es una planta de proceso a escala reducida.

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34

El fin que se persigue al diseñar, construir y operar una planta piloto es

obtener información sobre un determinado proceso físico o químico, que

permita determinar si el proceso es técnica y económicamente viable, así como

establecer los parámetros de operación óptimos de dicho proceso para el

posterior diseño y construcción de la planta a escala industrial. El término

abarca un amplio rango de escalas, desde plantas a escala laboratorio hasta

plantas a escala semi-industrial. Los avances tecnológicos en distintas áreas

(electrónica, comunicaciones, micromecanizado, etc.) han hecho posible que

hoy día se disponga de instrumentación y dispositivos adecuados para el diseño

y construcción de plantas a escala muy reducida, plantas a microescala,

capaces de operar en idénticas condiciones de presión y temperatura que las

plantas industriales. Estos avances han conducido a que estas plantas a

microescala, cuenten con sistemas de adquisición de datos, supervisión y

control (sistemas SCADA) y puedan ser automatizadas, de manera que la

producción experimental se multiplique y se reduzca así, considerablemente el

tiempo necesario para el estudio y la optimización de un proceso físicoquímico

concreto.

Una planta piloto debe ser mucho más flexible que una planta a escala

industrial en cuanto al rango permisible de sus parámetros de operación o

variables de proceso, ya que una planta industrial opera siempre en las mismas

condiciones, mientras que una planta piloto, por el hecho de estar destinada a

la investigación o estudio de un proceso, debe permitir trabajar en un amplio

rango de valores de temperatura, presión, etc., de manera que puedan

realizarse experimentos o ensayos con valores bien distintos de las variables de

proceso y poder determinar, así, los valores óptimos.

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35

El uso de plantas de proceso a escala piloto tiene como propósitos

principales:

Predecir el comportamiento de una planta a nivel industrial, operando la

planta piloto a condiciones similares a las esperadas. En este caso los

datos obtenidos serán la base para el diseño de la planta industrial.

Estudiar el comportamiento de plantas industriales ya construidas, en

donde la planta piloto es una réplica y estará sujeta a condiciones de

operación previstas para la planta industrial. En este caso a la planta

piloto se le llama modelo y tiene como función principal mostrar los

efectos de los cambios en las condiciones de operación de manera más

rápida y económica que si se realizaran en la planta original.

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36

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37

DISEÑO EXPERIMENTAL 3.

Variables 3.1

Una variable es una propiedad, característica o atributo que es susceptible

a asumir diferentes valores. Existen variables independientes, consideradas

como las causas y variables dependientes, consideradas como el factor que es

observado y medido para determinar el efecto de la variable independiente.

Se realizó la investigación y el estudio de la información pertinente,

citando artículos científicos, trabajos de graduación de diversas universidades a

nivel latinoamericano y europeo. Esta investigación dio la certeza para

establecer la variable de entrada que se modificó para cuantificar el efecto

sobre los resultados y la hipótesis; y la variable que se estableció como

constante.

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38

Tabla II. Definición operacional de las variables para el análisis

químico de las propiedades mineralógicas de los lodos

residuales y diseño de equipo

Constante Variable ControlablesNo

controlables

1 Concentración [M] x x

2 Titulación mL x x

3Volumen del

analitomL x x

4Ácido

sulfosalicílico

HO-

C6H3(COOH)-

SO3H×2H2O

x x

5 Difenilamina C12H11N x x

6Naranja de

xilenol

C31H28N2Na4O13

Sx x

7Negro de

eriocromo TC20H12N3O7SNa x x

8Ferrocianuro de

potasio

K4[Fe(CN)6]×3H

2Ox x

93,3 -

DimetilnaftidinaC22H20N2 x x

10 Calcón C20H13NaO5SN2 x x

11 EDTA 0.1 M C10H16N2O8 x x

12Sulfato de zinc

0.1MZnSO4 x x

1 Hierro férrico Fe+3 x x

2 Zinc Zn+2 x x

3 Hierro ferroso Fe+2 x x

4 Aluminio Al+3 x x

5 Magnesio Mg+2 x x

6 Calcio Ca+2 x x

Determinación del contenido mineralógico de lodos residuales

Nota: para los elementos zinc, hierro férrico, magnesio y calcio, determinar si se encuentran

como sulfatos o como carbonatos. Para los elementos hierro férrico, ferroso y aluminio,

Parámetros y reactivos involucrados en la determinación del análisis químico a los lodos

residuales

No. Variable

Fórmula

química/unidad

de medida

Factor potencial de

diseñoFactores perturbadores

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39

Continuación de la tabla II.

Fuente: elaboración propia.

Dentro de los parámetros de la investigación la variable dependiente

corresponde a la velocidad de sedimentación, y la variable independiente es la

concentración inicial de sólidos.

1 Concentración [M] x x

2Concentración

final[M]

x x

3Velocidad de

sedimentaciónm/min

x x

4Caudal de

afluentem3

x x

5Caudal de

efluentem3

x x

6

Caudal de

lodos

espesados

m3

x x

7 Floculante % x x

8Tiempo de

residenciamin

x x

1 Diámetro m x

2 Profundidad m x

3 Altura de cono m x

4

Capacidad de

almacenamient

o

mx

1 Fibra de vidrio - x

2Variador de

frecuenciarpm

x

Diseño de equipo

Materiales de construcción y equipo empleado

Condiciones de la experimentación

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40

3.1.1 Variables independientes

Concentración inicial de la suspensión

o Suspensión de lodos

La concentración es la variable independiente en el experimento. Esta

variable afecta directamente la velocidad de sedimentación.

Determinación del contenido mineralógico de los lodos

o EDTA 0.1 M

El EDTA forma quelatos con casi todos los iones metálicos, siendo estas

reacciones la base de diferentes métodos analíticos.

o Sulfato de zinc 0.1 M

El Zn+2 en solución titula el EDTA en exceso agregado intencionalmente

en el método de determinación de Aluminio.

3.1.2 Variables dependientes

Velocidad de sedimentación de las diferentes suspensiones

o Vs

La velocidad de sedimentación es dependiente de la concentración de la

suspensión de lodos. Es la variable estudiada en el experimento.

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41

Diseño del sedimentador para espesar los lodos residuales del

proceso de fabricación de ZnSO4

o Diseño

Etapa en la que se elabora el plano del equipo con las medidas

pertinentes, calculadas para el funcionamiento del equipo en ciertas

condiciones específicas iniciales.

Delimitación del campo de estudio 3.2

ÁREA: consumo industrial, agroindustrial y tratamientos de agua.

INDUSTRIA: agroindustrial

PROCESO: diseño y construcción de un sedimentador circular a escala

piloto para espesamiento de lodos residuales de un proceso de ZnSO4 a

partir del Zn mineral en una planta de fertilizantes.

ETAPA DE PROCESO: evaluación a nivel laboratorio del diferencial de

altura respecto del tiempo de sedimentación; velocidad de los lodos

residuales de un proceso de fabricación de ZnSO4 a partir del Zn mineral

para diferentes concentraciones iniciales de la suspensión para

determinar las dimensiones de un sedimentador

UBICACIÓN: la suspensión de lodos residuales empleados en el

proyecto es obtenida de la etapa final del proceso de fabricación de

ZnSO4 de la planta Representaciones Químicas, S. A. Las pruebas de

sedimentación y el análisis fisicoquímico de las propiedades de los lodos

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42

residuales se realizaron en el área del Laboratorio de análisis químico

cuantitativo del departamento de control de calidad

“REPRESENTACIONES QUIMICAS S. A.”, kilómetro 42.5, antigua

carretera a Palín, Colonia San Benito, Palín, Escuintla, Guatemala,

Centro América.

CLIMA: el clima no es determinante para la manipulación de estos lodos

una vez no se trabajen en condiciones extremas de calor o frío. El clima

en la empresa es templado con una temperatura ambiental promedio de

25ºC.

Recurso humano disponible 3.3

Investigador: Walter René Mejía Ajcucún

Desarrolló el trabajo de investigación que incluyó la recolección de

muestra, análisis y diseño del equipo. Es el responsable de la elaboración del

informe de investigación.

Asesor: Ing. Quím. Sergio Alejandro Recinos

Responsable de asesorar y supervisar el trabajo de investigación por

medio de la observación y participación de ideas para la realización del ejercicio

profesional supervisado.

Co-asesor: Ing. Quím. Estuardo Morfin Sarceño

Responsable del asesoramiento directo del trabajo de investigación y

conjuntamente proporcionó los recursos para el desarrollo de la investigación.

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43

Recursos materiales disponibles (equipo, material de vidrio, 3.4

reactivos)

Se escribe una lista de la materia prima, reactivos, cristalería y equipos

empleados para la elaboración del proyecto.

3.4.1 Materia prima y reactivos

Lodos residuales

Agua

Ácido sulfúrico

Ácido clorhídrico

Ácido nítrico

Ácido acético

Sulfato de zinc 0.1 M

Solución buffer pH 10

Acetato de sodio 1M

Acetato de amonio al 10%

Acetato de amonio

Alcohol etílico

Dicromato de potasio

Ferricianuro potásico al 1%

Fluoruro de amonio

Hidróxido de potasio

Hidróxido de sodio en lenteja indicador 3,3 dimetilnaftidina

Indicador ácido sulfosalisílico

Indicador negro de ericromo T

Indicador calcón

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44

Indicador ditizona

Indicador difenilamina

Indicador naranja de xilenol

Mezcla de ácido fosfórico – ácido sulfúrico

Solución de sal disódica de EDTA 0.1 M

Agua desmineralizada

3.4.2 Material de vidrio

1 vaso de precipitado de 100 mL

1 vaso de precipitado de 250 mL

1 vaso de precipitado de 500 mL

1 vaso de precipitado de 1000 mL

1 vaso de precipitado de 2000 mL

1 vaso de precipitado de 4000 mL

1 balón aforado de 250 mL

1 balón aforado de 500 mL

1 balón aforado de 1000 mL

1 vidrio de reloj

1 embudo

1 piseta

1 gotero

Varillas de agitación

1 bureta de 10 ml

6 matraces de 250 mL

1 matraz de 500 mL

1 perilla de succión

1 pipeta serológica de 5 mL

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45

1 pipeta serológica de 10 mL

1 pipeta volumétrica de 5 mL

1 pipeta volumétrica de 25 mL

1 probeta de 10 mL

1 probeta de 25 mL

1 probeta de 100 mL

1 crisol tipo “gooch”

3.4.3 Equipo

3.4.3.1 Equipo de laboratorio químico

o Soportes universales

o Plancha de calentamiento marca Coming, voltaje de 120 V

o Potenciómetro

o Mechero

o Balanza analítica marca Ohaus Adventurer, voltaje 8-15 V,

máxima capacidad de 150 g, rango de precisión +- 0.001g

3.4.4 Determinación de velocidad de sedimentación

Variador de frecuencia

Cronómetro

Papel milimetrado

3.4.5 Diseño de equipo

Computadora

Autocad

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46

Técnica cuantitativa 3.5

3.5.1 Diseño general

Figura 9. Diagrama de flujo de procesos

Inicio

Recolección de

información

Recolección de

materia prima

Análisis fisicoquímico de

la materia prima

Preparación de las

muestras a diferentes

concentraciones

Muestra

2

Muestra

3

Muestra

4

Muestra

5

Muestra

6

Muestra

7

Muestra

8

Método de tubo

largo

Determinación

del área de

clarificado

Método de

Yoshioka y Dick

Determinación

del área de

espesado

Dimensionamiento

del equipo

Inventario y

compra de

material a utilizar

Construcción del

equipo

Fin

Muestra

1

Fuente: elaboración propia.

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47

Recolección y ordenamiento de la información 3.6

La suspensión tomada del proceso de producción de sulfato de zinc, es la

parte residual, aparentemente inservible. La información consultada refiere que

estos lodos pueden ser reutilizados para obtener sulfato férrico con el proceso

adecuado y a ciertas condiciones iniciales, en donde un factor predominante

para poder reducir costos de producción, es el contenido de humedad. La

necesidad de espesar estos lodos surge, entonces, por optimizar estos

materiales, hecho que se traduce en un aumento del margen de ganancia de la

empresa.

Esta suspensión fue analizada y trabajada con el método del tubo largo y

el método de Yoshioka & Dick para determinar el dimensionamiento del equipo

necesario para espesar estos lodos.

Tabulación, orden y procesamiento de la información 3.7

La suspensión fue recolectada en la parte final del proceso de obtención

de ZnSO4 en solución, específicamente en el tercer lavado del mineral. La

suspensión se bombea del contenedor hacia el recipiente colector de la

muestra. Se agita el recipiente para homogeneizar la suspensión. La muestra

se almacena en un recipiente de 2000 litros.

Posteriormente, se condujo esta muestra al laboratorio para determinar

sus propiedades fisicoquímicas, entre ellas los elementos mineralógicos

presentes, humedad, olor y color.

Se prepararon ocho suspensiones con concentraciones de sólidos

iniciales diferentes, comenzando desde 5% p/p hasta 20% p/p, se les agregó

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48

floculante, y con cada una se realizó el método de tubo largo o ensayo de

sedimentación de laboratorio para determinar su velocidad de sedimentación.

Con base en esta velocidad, se determina el área y el diámetro del

sedimentador y con el tiempo de residencia, se determina la altura necesaria.

Se devuelven las suspensiones al contenedor del tercer lavado.

Con las dimensiones del equipo establecidas, se procede a construir el

sedimentador circular a escala piloto.

3.7.1 Recolección de la muestra

Se recolecta 1 garrafa de 20 litros de los lodos del contenedor que

almacena la suspensión del tercer lavado. Se agita por un lapso de 30 minutos

para homogeneizar la muestra y se conduce al área de laboratorio. Se etiqueta

anotando los datos de procedencia y volumen.

3.7.2 Análisis fisicoquímico de la muestra

3.7.2.1 Análisis físico de la muestra

Las propiedades físicas de la suspensión que se consideran son el color y

olor. Ambas propiedades son determinadas por la inspección visual y olfativa.

3.7.2.2 Análisis químico de la muestra

Determinación de humedad de la muestra

o Pesar 100 gramos de los lodos residuales y colocarlos en la mufla

a una temperatura de 80º C por 3 horas.

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49

o Pesar la muestra seca y anotar el valor obtenido.

o Determinar el porcentaje de humedad con base en la ecuación

% 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = [1 −𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎

𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠] ∗ 100

[Ecuación No. 11]

Digestión de lodos residuales secos

o Pesar cinco gramos de muestra de lodos residuales y colocarlos

en un vaso de precipitado de 500 mL

o Agregar al vaso de precipitado 100 mL de agua regia y 300 mL de

agua desmineralizada

o Calentar durante dos horas o hasta que la muestra se haya

disuelto

o Filtrar la solución resultante y lavar el papel filtro con 25 mL de

agua desmineralizada caliente por lo menos cinco veces o hasta

que el pH de los lavados tenga un valor de 7

Determinación de insolubles

o Colocar el papel filtro que contiene los insolubles, procedente de la

digestión, en un crisol

o Colocar el crisol con el papel filtro en la mufla a una temperatura

de 80º C por 3 horas

o Sacar el crisol de la mufla y dejar enfriar a temperatura ambiente y

luego pesarlo

o Calcular el porcentaje de insolubles

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50

% 𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒𝑠 =𝑅

𝑊∗ 100

[Ecuación No. 12]

Donde:

R = Diferencia del peso obtenido después de secar y el peso inicial del papel

filtro

W = Peso de la muestra inicial de los lodos residuales

Preparación de la solución obtenida de la digestión

o Aforar la solución en un balón de 1000 mL con agua

desmineralizada caliente

o Enfriar a temperatura ambiente e inspeccionar que el aforo se

encuentre en 1000 mL. Caso contrario, volver a aforar

Método de determinación de zinc y magnesio

o Consumo para zinc y magnesio

Tomar una alícuota de 25 mL de la solución aforada y

verterla a un matraz

Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

Agregar 25 mL de solución buffer 10. Asegurarse que el pH

sea 10, de lo contrario, agregar más solución buffer

Agregar una gota de indicador negro de eriocromo

Titular con EDTA 0.1 M hasta alcanzar un viraje de color

violeta a azul celeste

Anotar el volumen consumido (Volumen “a”)

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51

o Consumo para Zinc

Tomar una alícuota de 25 mL de la solución aforada y

verterla a un matraz

Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

Asegurarse que el pH se encuentre en 4.5, de lo contrario,

agregar HCl o NaOH según corresponda

Agregar 2 gotas de ferricianuro de potasio y una gota de

3,3-dimetilnaftidina

Titular con EDTA 0.1 M hasta alcanzar un viraje de color

rosado claro a transparente

Anotar el volumen consumido (Volumen “b”)

Cálculo del contenido de magnesio

% 𝑀𝑔 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ (𝑎 − 𝑏) ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴]

𝑚

[Ecuación No. 13]

Cálculo del contenido de zinc

% 𝑍𝑛 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ (𝑏) ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴]

𝑚

[Ecuación No. 14]

Donde:

Factor = Es el factor para determinar un elemento específico. Para el caso del

Mg es 2.431 y para el Zn es 6.537

[MEDTA] = Concentración de EDTA

m = Peso de la muestra contenida en la alícuota tomada

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52

Método de determinación de calcio como CaCO3

o Tomar una alícuota de 25 mL de la solución aforada y verterla a

un matraz

o Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

o Agregar una solución de NaOH, asegurándose que el pH sea 12

o Agregar 4 gotas de indicador calcón

o Titular con EDTA 0.1 M hasta alcanzar un viraje de color rojo

vinoso a azul

o Anotar el volumen gastado, “a”

o Calcular el contenido de Calcio

% 𝐶𝑎 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝑎 ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴]

𝑚

[Ecuación No. 15]

Donde:

Factor = es el factor para determinar un elemento específico. Para el caso del

Ca es 4.008

[MEDTA] = concentración de EDTA

m = peso de la muestra contenida en la alícuota tomada

Método de determinación de Ca como CaSO4

o Pesar una muestra de 1 gramo de lodos en un matraz de 250 mL.

o Agregar 100 mL de agua y 50 mL de buffer 10

o Agitar por 30 minutos

o Filtrar la suspensión y trasvasar la solución obtenida a un matraz

de 250 mL

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53

o Agregar 30 mL de EDTA 0.1 M

o Agitar por 20 minutos

o Dejar muestra en ebullición por 5 minutos

o Enfriar a temperatura ambiente y agregar indicador negro de

ericromo

o Titular por retroceso con ZnSO4 estandarizado 0.1M hasta que se

observe un viraje de color azul a rojo vinoso

o Calcular el contenido de calcio utilizando la ecuación siguiente

% 𝐶𝑎 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ (𝑚𝑙𝐸𝑑𝑡𝑎 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑠 − 𝑚𝐿𝐸𝑑𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑍𝑛𝑆𝑂4) ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴]

𝑚

[Ecuación No. 16]

Donde:

Factor = es el factor para determinar un elemento específico. Para el caso del

Ca es 4.008

[MEDTA] = concentración de EDTA

m = peso de la muestra contenida en la alícuota tomada

Método de determinación de aluminio

o Tomar una alícuota de 25 mL de la solución aforada y verterla a

un matraz

o Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

o Agregar una solución de NaOH o HCl según corresponda,

asegurándose que el pH se encuentre en 1 o 2

o Agregar con una pipeta volumétrica 10 mL de EDTA 0.1 M y

calentar a ebullición por 5 minutos

o Agregar 5 gotas de indicador ditizona

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54

o Titular con solución ZnSO4 0.1 M hasta alcanzar un viraje de color

azul a rojo vinoso

o Anotar el volumen gastado, “a”

o Calcular el contenido de aluminio

% 𝐴𝑙 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ (𝑉𝐸𝐷𝑇𝐴 ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴] − 𝑎 ∗ [𝑀𝑍𝑛𝑆𝑂4

]

𝑚

[Ecuación No. 17]

Donde:

Factor = es el factor para determinar un elemento específico. Para el caso del

Al es 2.698

[MEDTA] = concentración de EDTA

[MZnSO4] = concentración de ZnSO4

m = peso de la muestra contenida en la alícuota tomada

Método de determinación de hierro férrico

o Pesar 0.5 gramos de la muestra y verterla en un matraz de 250

mL

o Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

o Llevar el pH a 2.5 ajustándolo con NaOH 0.5 N o HCl 0.5 N

o Agregar 1 gota de indicador ácido sulfosalicílico

o Titular con EDTA 0.1 M hasta alcanzar un viraje de color violeta a

amarillo pálido

o Anotar el volumen gastado, “a”

o Calcular el contenido de hierro férrico

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55

% 𝐹𝑒+3 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝑎 ∗ [𝑀𝐸𝐷𝑇𝐴]

𝑚

[Ecuación No. 18]

Donde:

Factor = factor para determinar un elemento específico. El de Fe+3 es 5.585

[MEDTA] = concentración de EDTA

m = peso de la muestra

Método de determinación de hierro ferroso

o Pesar 0.5 gramos de la muestra y verterla en un matraz de 250

mL

o Agregar agua desmineralizada hasta completar 100 mL

o Agregar 25 mL de agua regia (mezcla de ácido fosfórico – ácido

sulfúrico)

o Agregar 1 gota de difenilamina

o Titular con dicromato de potasio hasta alcanzar un color púrpura

oscuro

o Anotar el volumen gastado, “a”

o Calcular el contenido de hierro ferroso

% 𝐹𝑒+2 =𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝑎 ∗ [𝑀𝐾2𝐶𝑟2𝑂7]

𝑚

[Ecuación No. 19]

Donde:

Factor = factor para determinar un elemento específico. El de Fe+2 es 5.585

[MK2Cr2O7] = concentración de K2Cr2O7

m = peso de la muestra

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56

Determinación del contenido de óxido férrico

% 𝐹𝑒2𝑂3 = % 𝐹𝑒+3 ∗159.69

55.85

[Ecuación No. 20]

Determinación del contenido de óxido ferroso

% 𝐹𝑒𝑂 = % 𝐹𝑒+2 ∗71.844

55.85

[Ecuación No. 21]

Determinación del contenido de alúmina

% 𝐴𝑙2(𝑆𝑂4)3 = % 𝐴𝑙 ∗101.96

26.98

[Ecuación No. 22]

Determinación del contenido de carbonato de magnesio

% 𝑀𝑔𝐶𝑂3 = % 𝑀𝑔 ∗84.3139

24.31

[Ecuación No. 23]

Determinación del contenido de carbonato de zinc

% 𝑍𝑛𝐶𝑂3 = % 𝑍𝑛 ∗125.39

65.38

[Ecuación No. 24]

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57

Determinación del contenido de carbonato de calcio

% 𝐶𝑎𝐶𝑂3 = % 𝐶𝑎 ∗100.08

40.08

[Ecuación No. 25]

Determinación del contenido de sulfato de calcio

% 𝐶𝑎𝑆𝑂4 = % 𝐶𝑎𝑦𝑒𝑠𝑜 ∗136.14

40.08

[Ecuación No. 26]

3.7.3 Dimensionamiento del sedimentador

A continuación se describe el procedimiento para dimensionar el

sedimentador circular a escala piloto. Consta de las siguientes fases:

preparación de las concentraciones iniciales; cálculo de la velocidad de

sedimentación; cálculo del área, diámetro y altura, diseño final; materiales de

construcción; costo y construcción del equipo.

3.7.3.1 Concentraciones iniciales

Se llena una garrafa de 20 litros con los lodos del contenedor que

almacena la suspensión del tercer lavado. Se agitó por un lapso de 30 minutos

para homogeneizar la muestra. Se prepararon ocho suspensiones con

concentraciones de sólidos iniciales diferentes, comenzando desde 5% p/p

hasta 20% p/p, a cada una se le agrega floculante.

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58

3.7.3.2 Velocidad de sedimentación

Con cada suspensión de diferente concentración se realizó el método del

tubo largo para determinar la velocidad de sedimentación para cada muestra,

utilizando probetas de 250 mL con altura de 38 cm, diámetro de 2.54 cm. Las

probetas se llenaron con las suspensiones, se agitaron y luego se dejaron

sedimentar libremente, tomando la altura de la interfase líquido-sólido cada

cinco minutos. Para medir las alturas de una forma exacta, se utilizó papel

milimetrado que fue cuidadosamente colocado en las probetas. El control del

tiempo se realizó con un cronómetro. Esto se realizó para construir las curvas

de sedimentación.

3.7.3.3 Área, diámetro y altura

Luego de construir las curvas de velocidad de sedimentación para cada

una de las ocho suspensiones, se procedió a calcular el área mínima industrial

de clarificado utilizando el caudal inicial y el dato obtenido de la velocidad de

sedimentación correspondiente a la concentración inicial de 5% p/p.

Posteriormente, se trazó la curva de flujo en discontinuo (método de Yoshioka y

Dick), gráfico de GB en función de Xi, utilizando las velocidades de

sedimentación de las ocho suspensiones y el caudal de sólidos. Se señaló el

valor de xu en el eje de abscisas y se trazó una tangente a la curva. Esta

tangente corta al eje de ordenadas, que es el valor correspondiente a GT. Con

el valor de GT, el caudal inicial y la concentración inicial, se determinó el área

de espesado industrial.

Se comparó el área de clarificado con la de espesado, se eligió la mayor

de estas dos áreas como área de diseño. Se procedió a calcular el diámetro y la

profundidad del sedimentador.

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59

3.7.3.4 Diseño final

A partir los datos del diámetro y la profundidad, se determinó la altura del

cono y la altura de la capacidad de almacenamiento del sedimentador. Estos

datos conforman el diseño final del equipo.

3.7.3.5 Materiales de construcción

Se utilizó fibra de vidrio para construir el cuerpo del equipo porque es un

material flexible, moldeable, barato y cuenta con la ventaja de no contaminar la

suspensión por trabajar. Se emplearon dos remaches y una válvula de media

vuelta para controlar el flujo de espesado. Tubos de PVC de ½ pulgada para

drenar la parte clarificada. Vigas de acero para sostener el motor que da la

rotación a la paleta. La velocidad de rotación será manipulada con el variador

de frecuencia y una paleta de fibra de vidrio para mover la solución dentro del

sedimentador.

3.7.3.6 Cotización y construcción del

sedimentador

Se hizo la cotización de los materiales utilizados, incluyendo la mano de

obra y se procedió a realizar la compra. Como paso final, se realiza la

construcción del equipo sedimentador.

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60

Tabla de tabulación de datos 3.8

Tabla III. Concentraciones iniciales preparadas

Fuente: elaboración propia.

Tabla IV. Determinación cualitativa del olor

Fuente: elaboración propia.

Muestra Concentración (% p/p)

Muestra 1 % p/p1

Muestra 2 % p/p2

Muestra 3 % p/p3

Muestra 4 % p/p4

Muestra 5 % p/p5

Muestra 6 % p/p6

Muestra 7 % p/p7

Muestra 8 % p/p8

Muestra Olor

Muestra 1 Olor 1

Muestra 2 Olor 2

Muestra 3 Olor 3

Muestra 4 Olor 4

Muestra 5 Olor 5

Muestra 6 Olor 6

Muestra 7 Olor 7

Muestra 8 Olor 8

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61

Tabla V. Determinación cualitativa del color

Fuente: elaboración propia.

Tabla VI. Humedad e insolubles de la suspensión

Fuente: elaboración propia.

Tabla VII. Método de análisis de lodos residuales

Fuente: elaboración propia.

Muestra Color

Muestra 1 Color 1

Muestra 2 Color 2

Muestra 3 Color 3

Muestra 4 Color 4

Muestra 5 Color 5

Muestra 6 Color 6

Muestra 7 Color 7

Muestra 8 Color 8

Parámetro Porcentaje

Humedad % Humedad

Insolubles % Insolubles

Suspensión inicial

1 2 3 4 5 6 7 8

Fe+2 %1,1 %1,2 %1,3 %1,4 %1,5 %1,6 %1,7 %1,8

Fe+3 %2,1 %2,2 %2,3 %2,4 %2,5 %2,6 %2,7 %2,8

Al %3,1 %3,2 %3,3 %3,4 %3,5 %3,6 %3,7 %3,8

Zn %4,1 %4,2 %4,3 %4,4 %4,5 %4,6 %4,7 %4,8

Mg %5,1 %5,2 %5,3 %5,4 %5,5 %5,6 %5,7 %5,8

Cacarbonato %6,1 %6,2 %6,3 %6,4 %6,5 %6,6 %6,7 %6,8

Cay eso %7,1 %7,2 %7,3 %7,4 %7,5 %7,6 %7,7 %7,8

ElementoMuestra

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62

Tabla VIII. Diferencial de altura con respecto del tiempo de

sedimentación de las muestras

Fuente: elaboración propia.

Tabla IX. Velocidad de sedimentación en función de la concentración

Fuente: elaboración propia.

Altura Tiempo Altura Tiempo Altura Tiempo Altura Tiempo Altura Tiempo Altura Tiempo

H1,1 t1,1 H1,2 t1,2 H1,3 t1,3 H1,4 t1,4 H1,n t1,4 H1,8 t1,8

H2,1 t2,1 H2,2 t2,2 H2,3 t2,3 H2,4 t2,4 H2,n t2,4 H2,8 t2,8

H3,1 t3,1 H3,2 t3,2 H3,3 t3,3 H3,4 t3,4 H3,n t3,4 H3,8 t3,8

H4,1 t4,1 H4,2 t4,2 H4,3 t4,3 H4,4 t4,4 H4,n t4,4 H4,8 t4,8

H5,1 t5,1 H5,2 t5,2 H5,3 t5,3 H5,4 t5,4 H5,n t5,4 H5,8 t5,8

H6,1 t6,1 H6,2 t6,2 H6,3 t6,3 H6,4 t6,4 H6,n t6,4 H6,8 t6,8

H7,1 t7,1 H7,2 t7,2 H7,3 t7,3 H7,4 t7,4 H7,n t7,4 H7,8 t7,8

Hm,n tm,n Hm,n tm,n Hm,n tm,n Hm,n tm,n Hm,n tm,n Hm,n tm,n

Muestra

1 2 3 4 N 8

Muestra Concentración (% p/p)Velocidad de

sedimentación

Muestra 1 % p/p1 Vs1

Muestra 2 % p/p2 Vs2

Muestra 3 % p/p3 Vs3

Muestra 4 % p/p4 Vs4

Muestra 5 % p/p5 Vs5

Muestra 6 % p/p6 Vs6

Muestra 7 % p/p7 Vs7

Muestra 8 % p/p8 Vs8

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63

Tabla X. Caudal de sólido en función de la concentración

Fuente: elaboración propia.

Tabla XI. Comparación del área del clarificado y el área del espesado

Fuente: elaboración propia.

Tabla XII. Dimensionamiento del sedimentador

Fuente: elaboración propia.

MuestraConcentración (%

p/p)

Caudal de

sólido

Muestra 1 % p/p1 GB1

Muestra 2 % p/p2 GB2

Muestra 3 % p/p3 GB3

Muestra 4 % p/p4 GB4

Muestra 5 % p/p5 GB5

Muestra 6 % p/p6 GB6

Muestra 7 % p/p7 GB7

Muestra 8 % p/p8 GB8

Aclarificada A1

Aespesado A2

Área seleccionada Área mayor

Muestra inicial

DiámetroAltura de

sedimentación

Altura de

cono

Altura debida a la capacidad

de almacenamiento

D H Hcono Hc-a

Sedimentador

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64

Tabla XIII. Cotización del equipo

Fuente: elaboración propia.

Análisis estadístico 3.9

El cálculo estadístico utilizado en esta investigación, consistió en

determinar la media aritmética y la varianza para aplicar la prueba F de

Snedecor-Fisher para varianzas de dos muestras estándar. Con este dato, se

determina la prueba de “t” de Student para aceptar o rechazar la hipótesis

planteada.

3.9.1 Media aritmética

Para cada experimento se determinó el promedio o la media de los ocho

datos pertenecientes a cada prueba, para comparar los valores entre ellos y

encontrar el valor medio, determinando así los parámetros de diseño del

equipo.

X̅=∑ xi

ni=1

N

[Ecuación No. 27]

Fibra de

vidrioVálvulas Vigas Tubo PVC

Variador de

frecuencia

Área superficial

total m2

No. capas a

agregarX

Costo de material Q1 Q2 Q3 Q4Costo de mano de

obra

Total QT

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65

Donde:

X̅= media aritmética

xi= valor de cada corrida

N= número de corridas por tratamiento

3.9.2 Análisis de variabilidad

Se empleó un análisis estadístico de variabilidad para medir qué tan

dispersos están los resultados alrededor del punto central. De esta forma se

cuantificó la desviación de las pruebas alrededor de su media. Las estadísticas

más importantes para medir la variabilidad de una muestra aleatoria son la

varianza y la desviación estándar.

3.9.2.1 Varianza

Debido a que el rango no considera los valores intermedios de los datos,

se calculó la varianza la cual considera la posición de cada observación en

relación con la media de la muestra, proporcionando de esta manera una media

más significativa sobre el punto hasta el cual se dispersan las observaciones

alrededor de su media. Así la varianza se define como:

Si X1, X2,….Xn representa una muestra aleatoria de tamaño n, entonces la

varianza de la muestra se define como la estadística.

S2 =∑ (Xi−X)2n

i=1

n−1

[Ecuación No. 28]

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66

Donde:

n= número de datos

Xi= cada valor

X = media aritmética de los valores

S2= varianza de la muestra

3.9.2.2 Desviación estándar

La desviación estándar para una muestra representa medidas de

dispersión alrededor de la media. Se denota con S y es la raíz cuadrada

positiva de la varianza de la muestra.

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67

RESULTADOS 4.

Características físicas y químicas de la suspensión proveniente 4.1

del proceso de elaboración de ZnSO4

Tabla XIV. Caracterización física de la muestra recolectada

.

Parámetro Valor

Olor Inodoro

Color Café

Temperatura 26 ºC

Densidad (5% p/p) 1 101.484 Kg/m3

Sólidos suspendidos 55074 mg/L

Fuente: elaboración propia.

Tabla XV. Análisis químico de la muestra recolectada

Compuesto Valor (%)

Fe2O3 1.92

FeO 0.04

Al2O3 0

MgCO3 0.09

ZnCO3 0

CaCO3 0.86

CaSO4 0.16

Insolubles 1.93

Humedad 95

Porcentaje total 100

Fuente: elaboración propia.

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68

Correlación de los datos correspondientes a la velocidad de 4.2

sedimentación en función de la concentración

Se indica la correlación entre la velocidad de sedimentación, Vs, en

función de la concentración, Xi. Los datos de Vs fueron obtenidos

experimentalmente en el laboratorio para cada concentración establecida.

Figura 10. Velocidad de sedimentación en función de la concentración

de los lodos

Fuente: elaboración propia.

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000

Vs,

m/m

in

Xi, mg/L

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69

Diseño del sedimentador circular con las dimensiones 4.3

determinadas según pruebas de laboratorio

Se presentan las dimensiones determinadas del sedimentador circular

calculadas con base en el método de tubo largo y el método de Yoshioka &

Dick. Seguidamente se muestra el diseño del equipo.

Tabla XVI. Comparación del área industrial de clarificado y área

industrial de espesado

Muestra inicial

Aclarificado 0.49 m2

Aespesado 0.26 m2

Área seleccionada 0.49 m2

Fuente: elaboración propia.

Tabla XVII. Valores de diseño del sedimentador circular a escala piloto

Parámetro Unidad Valor

Diámetro Metros 0.79

Altura de sedimentación Metros 0.12

Altura de cono Metros 0.06

Altura debida a la capacidad de

almacenamiento

Metros

0.10

Carga superficial m3/d*m2 27.36

Caudal del afluente m3/día 14.33

Tiempo de retención Minutos 6

Fuente: elaboración propia.

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70

Figura 11. Diseño final del sedimentador circular

Fuente: elaboración propia con ayuda de la herramienta Autocad 2,010.

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71

Construcción del equipo con base en el diseño 4.4

Tabla XVIII. Cotización del equipo y mano de obra

Fuente: elaboración propia.

Figura 12. Vista frontal del equipo construido

Fuente: Representaciones Químicas, S. A.

Fibra de

vidrioVálvulas Vigas Tubo PVC

Variador de

frecuencia

Área superficial

total 0.55 m2 1 1 1 1

No. capas a agregar 4

Costo Q1 020 Q30 Q650 Q5 Q5 000Costo de mano de

obra

Costo total

Q6 840

Q13 545

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72

Figura 13. Vista aérea del equipo construido

Fuente: Representaciones Químicas, S. A.

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73

INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 5.

Al sedimentador a escala industrial deberían ingresar 63,120.75 kg/día, al

5% p/p de contenido de sólidos provenientes del tercer lavado (Tabla XIV) y

descargar la suspensión al 20% de sólidos. La densidad de la suspensión es

1.101,484 kg/día. El mineral residual contenido en la suspensión inicial

recolectada no reporta zinc elemental en su composición, lo que era de

esperarse (Tabla XV). El carbonato de zinc inicial fue convertido a sulfato de

zinc en solución durante el proceso de lixiviación. Lo mismo ocurrió con una

parte del óxido férrico, el óxido ferroso y el carbonato de magnesio; estos

minerales fueron solubilizados en forma de sulfatos. Reaccionó una fracción de

carbonato de calcio para formar sulfato de calcio sólido detectado por el método

cuantitativo de yeso. Los insolubles presentes pueden ser silicatos. El motivo

principal de realizar tres lavados a los lodos era para recuperar la mayor

cantidad de sulfato de zinc en solución y, efectivamente, fue lo que sucedió,

pues el agua equivalente al 95% de humedad inicial, tampoco reporta zinc

elemental.

Para el experimento realizado, se utilizó la cuarta parte del flujo másico

total de la suspensión del tercer lavado que equivale a trabajar con la cuarta

parte del valor total del caudal en el afluente. La decisión de trabajar con la

cuarta parte del valor del caudal se debe a que el proyecto contempló trabajar

con una escala piloto.

El principio de similaridad geométrica justifica el empleo de la reducción

del caudal. Este principio considera dos cuerpos sólidos, provisto cada uno de

tres ejes imaginarios en el espacio, que describe a ambos de igual forma en

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74

todos los puntos, es decir, con puntos que se corresponden. Bajo este principio

se puede establecer una relación de escalamiento lineal de 4, puesto que se

desea trabajar la cuarta parte del caudal, debido a que este parámetro es

relevante en el tamaño del equipo y al reducirlo, se reduce considerablemente

el dimensionamiento. Sin embargo, se considera más exacto dimensionar el

equipo modificando el caudal desde el afluente ya que de esta forma se obtiene

un dato de área superficial de clarificado o espesado específico para el caudal

trabajado, no es así cuando se aplica la relación de escalamiento lineal en el

equipo dimensionado con el caudal original del proceso.

La variable evaluada en el dimensionamiento del sedimentador es la

velocidad de sedimentación. En teoría, al aumentar la concentración de una

suspensión, disminuye la velocidad. Se determinó la velocidad de

sedimentación para cada concentración preparada de la muestra y se trazó una

correlación entre Vs y Xi (Figura 10) y se obtuvo una curva decreciente en

donde la concentración es el eje de las abscisas, y la velocidad de

sedimentación, el eje de las ordenadas. Esta correlación inversamente

proporcional corrobora la hipótesis científica planteada que dice que una alta

concentración disminuye la velocidad de sedimentación de las suspensiones.

Se obtuvieron las curvas de sedimentación para las ocho concentraciones

(Apéndice 1) en donde la concentración inicial es la correspondiente al 5% p/p

según el análisis reportado en la tabla XV. Las condiciones de diseño requieren

que la suspensión sea concentrada al 20% p/p.

Para realizar los cálculos de las áreas, se evaluó el diferencial de altura

respecto del tiempo de sedimentación para las ocho muestras. Se determinó

para cada concentración la velocidad de sedimentación empleando el método

de tubo largo o de ensayos de sedimentación en laboratorio (Apéndice 1). Con

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75

el valor de las concentraciones establecidas por las condiciones de diseño

(X0=5% p/p; Xu=20% p/p), se determinó que el área industrial de clarificación es

de 0.49 m2. Este método supone que el agua clarificada no contiene sólidos en

el afluente (Xe=0), es decir, el agua clarificada se encuentra libre de partículas

de lodo.

Para el cálculo del área industrial de espesado se aplicó el método de

Yoshioka & Dick (Apéndice 1). Como primer paso, se construyó la curva de flujo

de circulación de sólidos en discontinuo, utilizando las velocidades de

sedimentación zonal obtenidas de los ensayos de laboratorio en discontinuo en

función de las concentraciones de sólidos, Xi. A partir del valor específico de la

concentración de los lodos por extraer, Xu, en la abscisa, se trazó una tangente

a la curva de circulación de sólidos. La intersección de esta tangente con el eje

de ordenadas da el flujo total de sólidos, GT. Con el flujo total de sólidos, el

caudal inicial y la concentración inicial se procedió a determinar el área

industrial de espesado, este valor es de 0.26m2.

Luego de calcular las áreas de superficie mínimas de clarificado y

espesado del equipo, se eligió la mayor, ya que la menor se circunscribe a esta

área (tabla XVI). Con el área seleccionada, se procedió a dimensionar el equipo

(tabla XVII) y elaborar su diseño final (Figura 11).

El área superficial seleccionada fue el área de clarificación, 0.49m2 (tabla

XVI), pues esta es mayor que el área superficial de sedimentación (0.26m2).

Regularmente los procesos de sedimentado ocupan más área superficial que

los procesos de clarificado, a menos que la concentración final de los lodos

espesados no sea mucho mayor respecto de la concentración inicial de los

mismos.

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76

En este caso, el área necesaria para clarificar el líquido de la

concentración X0 a Xe es mayor que el área necesaria para sedimentar los

lodos de la concentración X0 a Xu. El caudal del efluente clarificado se

determina a partir del caudal inicial, la concentración final de los lodos y la

concentración de sólidos en el clarificado, Xe, que se supone debe ser cero.

Este caudal condiciona el caudal de salida de los lodos espesados e

implícitamente, condiciona también su concentración final, que en este caso es

de 20% p/p. Puede decirse, entonces, que el área superficial de clarificado

satisface las condiciones de descarga de los lodos.

En el caso del área superficial de sedimentado sucede algo muy peculiar,

en la figura 23 del apéndice 1, correspondiente a la curva de flujo discontinuo

en función de la concentración de sólidos, se puede observar que el punto

último (724.91 kg/m2*día) con concentración al 20% p/p reporta un caudal de

sólidos en funcionamiento discontinuo parecido al punto anterior con

concentración al 17% p/p (723.75 kg/m2*día). Tomando en cuenta que el caudal

de sólidos indica la capacidad del sedimentador para arrastrar los sólidos a su

parte inferior, con una concentración Xi, por gravedad, en un funcionamiento

discontinuo, y sabiendo que el caudal de sólidos para las concentraciones de 17

y 20% p/p es muy parecido, puede concluirse que el equipo solo puede espesar

los lodos residuales al 17% p/p.

Sin embargo, sigue sin responderse por qué el área superficial de

clarificado es mayor que el área superficial de espesado. Para responder este

punto, hay que tomar en cuenta que el volumen de agua que se extrae y se

descarga sobre el vertedero durante el proceso de espesado que ocurre en un

intervalo de tiempo “tu – tc”, regularmente es mayor al volumen de clarificado, y

es este primer volumen el que determina la superficie mínima requerida de

espesamiento. Sin embargo, para este experimento particular, el volumen de

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77

clarificado es mucho mayor al volumen de espesado, puesto que el volumen de

agua que se descarga antes de alcanzar la velocidad crítica, corresponde a la

mayor parte del volumen por separar. Lo anterior se debe a que la velocidad de

sedimentación, que es mucho mayor a la velocidad crítica, permite que el agua

se descargue a mayor velocidad por el clarificado que cuando se alcanza la

velocidad final de sedimentado, en donde la velocidad del líquido que rebosa

debe ser menor a la velocidad crítica si se desea producir el espesado

esperado. Es por esta razón que el área de clarificado es mucho mayor que el

área de sedimentado y es ésta la que se elige para dimensionar el equipo.

Con el dato del área industrial, se procede a calcular el diámetro del

equipo (Tabla XVII). La profundidad depende del volumen que, a su vez,

depende del tiempo de residencia, que es aproximadamente de 5-7 minutos. La

elevación del cono del fondo tiene una inclinación de 10 grados con respecto de

la horizontal y una altura de 6 cm. La altura considerada debida a la capacidad

de almacenamiento es de 10 cm. Con estas medidas, se construyó el diseño

final del equipo. Como observación, se recomienda que H, la altura del equipo,

no sea demasiado baja ya que, de otra forma, la velocidad de paso aumentaría

por encima de la velocidad de arrastre. El arrastre ocurre cuando la velocidad

de paso es suficiente para hacer pasar a suspensión las partículas previamente

depositadas.

El material utilizado para la construcción del sedimentador fue la fibra de

vidrio (figuras 12 y 13). Este material posee la ventaja de ser flexible,

moldeable, barato y no contamina la muestra por trabajar. Se aplicaron cuatro

capas de este material para obtener la firmeza deseada en el equipo. En la

parte de descarga de los lodos, se instaló una válvula de bola para controlar el

flujo de espesado; en la parte de la salida del afluente, se agregó un tubo de

PVC de ½ pulgada para drenar la parte clarificada. El motor se instaló sobre

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78

una estructura hecha con vigas de acero para darle sostén y por dentro del

sedimentador, se colocó una paleta de fibra de vidrio conectada al motor y este

a su vez, al variador de frecuencia; esta paleta atraviesa el equipo para mover

la suspensión y evitar que los lodos espesados se estratifiquen.

El costo total de construcción del equipo fue de Q13, 545.00, incluyendo

mano de obra (Tabla XVIII) y se construyó en un tiempo de tres semanas,

empleando tres personas.

La Tabla XXV indica los valores obtenidos de la prueba F de Snedecor-

Fisher. Se comprueba que F(estadístico) < F(crítica), es decir, ambos métodos

son igual de precisos. Este dato ayuda a elegir la “t” de student de dos muestras

con varianzas iguales (tabla XXVI). Si se pretende determinar si un valor

aumenta en relación al otro, se usa un contraste de una cola. Se comprueba

que t(estadístico) > t(crítico), esto indica que la hipótesis nula se rechaza y la

hipótesis alterna se toma como cierta.

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79

CONCLUSIONES

1. Los lodos residuales del proceso de elaboración de ZnSO4 se

caracterizaron fisicoquímicamente, obteniendo como datos relevantes

para el dimensionamiento del sedimentador circular a escala piloto, la

concentración de sólidos, 5 % p/p, y el porcentaje de humedad, 95%

p/p.

2. Con base en el principio de similaridad geométrica, se estableció un

escalamiento lineal de 4, esto significa que se empleó la cuarta parte

del flujo másico total de la suspensión del tercer lavado para determinar

el caudal inicial en el afluente.

3. La variable evaluada en el dimensionamiento del sedimentador es la

velocidad de sedimentación, Vs.

4. La correlación inversamente proporcional de la velocidad de

sedimentación, Vs, en función de la concentración, Xi, tomó como cierta

la hipótesis alterna y rechazó la hipótesis nula. A una alta concentración

de sólidos iniciales, disminuye la velocidad de sedimentación de una

suspensión.

5. El cálculo del área superficial de clarificación, 0.49 m2, se obtuvo por el

método de tubo largo o de ensayos de sedimentación en laboratorio.

6. El cálculo del área superficial de espesado, 0.26 m2, se obtuvo por el

método de Yoshioka & Dick.

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80

7. El área superficial de espesado, en teoría, está calculada para espesar

los lodos a una concentración límite de 17%.

8. Al comparar las dos áreas superficiales, se eligió el área mayor que

corresponde al área de clarificación, 0.49 m2, para dimensionar y

diseñar el sedimentador circular a escala piloto.

9. Los valores de diseño del sedimentador circular a escala piloto son: el

diámetro, 79 cm; la altura de sedimentación, 12 cm; la altura del cono, 6

cm; la altura debida a la capacidad de almacenamiento, 10 cm; la carga

superficial, 27.36 m3/d*m2; el caudal del afluente, 14.33 m3/día y el

tiempo de retención, 6 minutos.

10. El material empleado para la construcción del sedimentador fue la fibra

de vidrio por ser moldeable, barato y no contaminante de la suspensión

de lodos residuales.

11. El costo total de construcción del equipo fue de Q13, 545.00, incluyendo

mano de obra, y se construyó en un tiempo de tres semanas,

empleando tres personas.

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81

RECOMENDACIONES

1. Es recomendable para el dimensionamiento del sedimentador,

determinar los parámetros de concentración, velocidad de

sedimentación y caudal del afluente.

2. Se recomienda que los resultados obtenidos, especialmente al aplicar el

método de ensayo de sedimentación en laboratorio y el método de

Yoshioka & Dick, sean utilizados solamente para las condiciones de las

cuales derivaron, ya que, para lodos de diferentes características de

composición y operación, los resultados de las pruebas de

sedimentación en laboratorio pueden no ser extrapolables. Se debe

emplear un factor de seguridad apropiado (en este trabajo se empleó un

factor de seguridad de 1.2).

3. Para poder evaluar la operación de sedimentación en condiciones

óptimas, se recomienda contar con los dispositivos adecuados para

medición de flujo, de esta manera, se podrán obtener y controlar

fácilmente los parámetros de funcionamiento que se consideren

pertinentes.

4. Se recomienda utilizar, indiferentemente, ya sea el método de Coe &

Clevenger o el de ensayos de sedimentación de laboratorio, para

calcular el área superficial de clarificación. Esto es permisible, aunque

ambos métodos difieren un tanto en los resultados, los dos son formas

aceptadas de calcular el área de clarificación.

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82

5. Se recomienda que la altura del equipo, H, no sea demasiado baja ya

que, de otra forma, la velocidad de paso aumentaría por encima de la

velocidad de arrastre. El arrastre ocurre cuando la velocidad de paso es

suficiente para hacer pasar a suspensión las partículas previamente

depositadas

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83

BIBLIOGRAFÍA

1. COULSON, J.M. & Richardson, J. F. Chemical Engineering. Vol. II.

Pergamon Press. Oxford. 1978. 1050 p.

2. Clarifier Design Task Force of the Water Environment Federation.

Clarifier Design. WEF Manual of Practice No. FD-8.

Second Edition. McGraw-Hill. 2005. 250 p.

3. DARBY, R. Chemical Engineering Fluid Mechanics, 1996. 1450 p.

4. GREEN, Don W., PERRY, Robert H. Perry’s Chemical Engineers’

Handbook. 8th Edition. McGraw-Hill. 2008. 3,000 p.

5. METCALF & Eddy, Inc. Wastewater Engineering: treatment and reuse.

McGraw-Hill Book Company, USA, 4th edition, 2003. 1300

p.

6. McCABE, Warren L., SMITH, Julian C., HARRIOT, Peter. Operaciones

Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta Edición. McGraw-

Hill. 1991. 1694 p.

7. RAMALHO, Rubens Sette. Tratamiento de aguas residuales. Primera

edición en castellano. Editorial Reverte, S. A. 2003. 716 p.

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84

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85

APÉNDICE

Apéndice 1. Muestra de cálculo, datos originales y datos calculados del

sedimentador circular

Datos originales de sedimentación por gravedad para el

sedimentador circular

Tabla 1. Resultado de la prueba de sedimentación intermitente de los lodos

residuales de un proceso de fabricación de ZnSO4 a diferentes

concentraciones y con una altura de llenado de 38 cm. La altura de la interfase

clara (m) se midió en función del tiempo (minutos).

Tiempo (min.)

Altura (m)

Muestra

5% Muestra

7% Muestra

9% Muestra

11% Muestra

13% Muestra

15% Muestra

17% Muestra

20%

0 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38

5 0.28 0.295 0.299 0.33 0.341 0.358 0.365 0.368

10 0.2 0.217 0.249 0.272 0.307 0.339 0.355 0.358

15 0.185 0.195 0.213 0.235 0.274 0.319 0.344 0.348

20 0.176 0.185 0.2 0.205 0.24 0.297 0.333 0.339

25 0.167 0.178 0.19 0.19 0.208 0.286 0.324 0.33

30 0.156 0.172 0.184 0.18 0.19 0.274 0.315 0.321

35 0.156 0.166 0.178 0.17 0.18 0.264 0.304 0.311

40 0.152 0.162 0.173 0.164 0.175 0.259 0.294 0.303

45 0.149 0.158 0.169 0.159 0.17 0.254 0.282 0.295

50 0.146 0.155 0.165 0.155 0.165 0.249 0.276 0.285

55 0.143 0.153 0.163 0.154 0.16 0.244 0.27 0.275

60 0.141 0.151 0.161 0.153 0.158 0.239 0.264 0.266

65 0.14 0.149 0.159 0.152 0.157 0.234 0.259 0.26

70 0.138 0.146 0.157 0.151 0.156 0.229 0.254 0.255

75 0.137 0.1445 0.155 0.151 0.155 0.224 0.246 0.25

80 0.136 0.144 0.153 0.151 0.155 0.219 0.239 0.245

85 0.135 0.143 0.152 0.15 0.155 0.215 0.234 0.24

90 0.134 0.142 0.151 0.15 0.154 0.212 0.23 0.235

95 0.133 0.141 0.15 0.15 0.154 0.21 0.225 0.234

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86

Continuación de la tabla 1.

100 0.133 0.141 0.149 0.15 0.154 0.209 0.22 0.233

105 0.132 0.14 0.148 0.15 0.154 0.208 0.217 0.232

110 0.132 0.139 0.147 0.15 0.153 0.206 0.214 0.231

115 0.131 0.138 0.146 0.15 0.153 0.206 0.211 0.231

120 0.131 0.138 0.145 0.15 0.153 0.206 0.211 0.231

125 0.13 0.137 0.144 0.15 0.153 0.205 0.21 0.231

130 13 0.137 0.144 0.15 0.153 0.205 0.21 0.231

135 0.129 0.136 0.143 0.149 0.153 0.205 0.21 0.231

140 0.129 0.136 0.143 0.149 0.152 0.204 0.21 0.231

145 0.128 0.136 0.143 0.149 0.152 0.204 0.21 0.231

150 0.128 0.136 0.143 0.149 0.152 0.204 0.21 0.231

155 0.127 0.135 0.143 0.149 0.152 0.204 0.21 0.231

160 0.127 0.135 0.142 0.149 0.152 0.204 0.21 0.231

165 0.126 0.134 0.142 0.149 0.152 0.203 0.21 0.231

170 0.126 0.134 0.142 0.149 0.152 0.203 0.21 0.231

175 0.125 0.133 0.141 0.149 0.152 0.203 0.21 0.231

180 0.125 0.133 0.141 0.149 0.152 0.203 0.21 0.231

185 0.124 0.133 0.141 0.149 0.152 0.203 0.21 0.231

190 0.124 0.132 0.14 0.148 0.151 0.203 0.21 0.231

195 0.123 0.131 0.139 0.148 0.151 0.203 0.21 0.231

200 0.123 0.131 0.139 0.148 0.151 0.203 0.21 0.231

Fuente: elaboración propia.

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87

Figuras con base en los datos originales para los sedimentadores

Figura 1. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 5% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 20 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

de

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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88

Figura 2. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 7% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 21 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

de

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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89

Figura 3. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 9% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 25 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

de

inte

rfas

ae 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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90

Figura 4. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 11% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 35 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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91

Figura 5. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 13% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 55 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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92

Figura 6. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 15% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 87 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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93

Figura 7. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 17% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 165 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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94

Figura 8. Sedimentación intermitente de los lodos residuales de un proceso de

fabricación de ZnSO4 para una concentración inicial de 20% p/p. Medición de la

interfase clara (m) en función del tiempo (minutos). Determinación del tiempo de

sedimentación θ = 200 minutos.

Fuente: elaboración propia.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Alt

ura

inte

rfas

e 1

(m

)

Tiempo (minutos)

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95

Cálculo para el área mínima de clarificación del sedimentador a

escala piloto de los lodos residuales de un proceso de fabricación

de ZnSO4

o Planteamiento del problema

Al sedimentador a escala industrial deberían de ingresar 63,120.75 kg/día

al 5% p/p de contenido de sólidos y se requiere espesar la suspensión al 20%

de sólidos. La densidad de la suspensión es 1.101,484 kg/día. Se determinará

el área mínima de un sedimentador continuo a partir del método de Yoshioka.

Para el caso estudiado, se utilizará la cuarta parte del flujo másico de la

suspensión inicial que es equivalente a trabajar con la cuarta parte del valor del

caudal en el afluente. La decisión de trabajar con la cuarta parte del valor del

caudal se debe a que el proyecto contempla trabajar con una escala piloto

debido a que esta escala establece un camino más seguro hacia la certeza de

invertir en la construcción de nuevas plantas industriales.

El principio de similaridad geométrica considera dos cuerpos sólidos

provisto cada uno de tres ejes imaginarios en el espacio que los describen de

igual forma en todos los puntos, es decir, puntos que se corresponden. Bajo

este principio se puede establecer una relación de escalamiento lineal de 4

(puesto que se desea trabajar la cuarta parte del caudal) y dimensionar el

sedimentador con estos nuevos valores. Sin embargo, el experimentador

considera más exacto dimensionar el equipo modificando el caudal en el

afluente puesto que de esta forma se obtiene un dato de área de clarificado o

espesado específico para el caudal trabajado, no siendo así cuando se aplica la

relación de escalamiento lineal.

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96

Resolución del problema

Sólidos en suspensión en el afluente:

𝑥𝑜 = 55.074,22 𝑚𝑔/𝐿

Sólidos en suspensión del caudal separado:

𝑥𝑢 = 264.949.2 𝑚𝑔/𝐿

Sólidos en suspensión que permanecen en el líquido clarificado:

𝑥𝑒 = 0 𝑚𝑔/𝐿

Caudal del afluente:

𝑄𝑜 =𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜𝑠/4

𝜌𝑆 𝐻=

63.120,75𝑘𝑔𝑑í𝑎

/4

1.101,484 𝑘𝑔/𝑚3= 14.33 𝑚3/𝑑í𝑎

[Ecuación No. 28]

Caudal del efluente:

𝑄𝑒 = 𝑄𝑜

(𝑋𝑢 − 𝑋𝑜)

(𝑋𝑢 − 𝑋𝑒)= 14.33 𝑚3 𝑑í𝑎⁄ ∗

(264.949,2 − 55.074,22)

(264.949,2 − 0)= 11.35 𝑚3/𝑑í𝑎

[Ecuación No. 29]

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97

Caudal que sale del sedimentador

𝑄𝑢 = 𝑄𝑜 − 𝑄𝑒 = 14.33 − 11.35 = 2.98 𝑚3/𝑑í𝑎

[Ecuación No. 30]

Velocidad de sedimentación:

𝑉𝑠 =𝐻𝑜

𝑡=

0.38 𝑚

20 𝑚𝑖𝑛= 0.019 𝑚/𝑚𝑖𝑛

Se procede a calcular el área mínima del sedimentador para cada

concentración inicial con la fórmula siguiente:

𝐴𝑐 =𝑄𝑒

𝑉𝑠=

11.35 𝑚3 𝑑í𝑎⁄ ∗ 1 1440⁄ 𝑑/𝑚𝑖𝑛

0.019 𝑚/𝑚𝑖𝑛= 0.41 𝑚2

[Ecuación No. 31]

Para el cálculo del área industrial, se multiplica el valor de Ac obtenido por

un coeficiente que varía entre 1.2 y 1.4, normalmente se toma el valor de 1.2.

𝐴𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝐴𝑐 ∗ 1.2 = 0.49 𝑚2

[Ecuación No. 2

Con el dato del área industrial, se procede a calcular el diámetro, el radio y

la profundidad del sedimentador:

𝐷 = (4𝐴/𝜋)1 2⁄ = (4 ∗ 0.49 𝑚2/𝜋)1 2⁄ = 0.79 𝑚

[Ecuación No. 33]

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98

𝑟 =𝐷

2=

0.79

2= 0.395 𝑚

[Ecuación No. 34]

El tiempo de residencia, aproximadamente, es 5-7 minutos. Tomando el

promedio y trabajando el dato en horas, da un valor de 0.1 horas, por tanto, el

volumen es:

𝑉 = 𝑄 ∗ 𝑡𝑟 24⁄ = (14.33 𝑚3/𝑑í𝑎 ∗ 0.1 ℎ)/24 = 0.060 𝑚3

[Ecuación No. 35]

Con este volumen, la profundidad es:

𝐻 = 𝑉/𝐴 = 0.060 𝑚3/0.49 𝑚2 = 0.12 𝑚

[Ecuación No. 36]

La elevación del cono del fondo del sedimentador tendrá una inclinación

de 10-15 grados respecto de la horizontal, por lo que la altura de esta parte es:

Figura 9. Altura del cono del sedimentador

Fuente: elaboración propia.

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99

𝐻𝑐𝑜𝑛𝑜 = 𝑟 ∗ tan 10° = 39.50𝑐𝑚 ∗ tan 10° = 6 𝑐𝑚

[Ecuación No. 37]

Además de la profundidad (altura) determinada por los cálculos que

representa la zona de sedimentación, hay que considerar algunas provisiones

para inventario y aspecto de diseño mecánico tales como:

Espesamiento del fondo: 5-10 centímetros (equivalente a la altura

del cono de 6 cm)

Capacidad de almacenamiento: 10 centímetros

Cálculo para el área mínima de espesado del sedimentador a escala

piloto de los lodos residuales de un proceso de fabricación de

ZnSO4

o Planteamiento del problema

Se requiere determinar el área mínima de espesado de la suspensión con

las condiciones iniciales descritas en el apartado anterior.

o Resolución del problema

Como primer paso, se determina la velocidad de sedimentación para cada

una de las ocho suspensiones con diferentes concentraciones. Para

ejemplificar, se procederá a trabajar con una concentración inicial de sólidos de

7% p/p.

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100

Velocidad de sedimentación:

𝑉𝑠 =𝐻𝑜

𝑡=

0.38 𝑚

21 𝑚𝑖𝑛= 0.018 𝑚/𝑚𝑖𝑛

Como segundo paso, se traza la curva de flujo discontinuo, gráfico de GB

en función de Xi, con cada uno de los datos calculados de GB para las ocho

concentraciones.

𝐺𝐵 = 𝑋𝑖 ∗ 𝑉𝑖 = 78.810,01 𝑚𝑔/𝐿 ∗ 0.018𝑚/𝑚𝑖𝑛 ∗ 1.44 = 2.053,56 𝑘𝑔/𝑚2 ∗ 𝑑í𝑎

[Ecuación No. 38]

Tabla 2. Datos calculados de GB para las distintas concentraciones

Fuente: elaboración propia.

Como tercer paso, señalar Xu = 264.949,2 mg/L en el eje de abscisas de la

figura siguiente. Desde Xu trazar una tangente a la curva. Esta tangente corta al

eje de ordenadas en GT=3.700 kgsólidos/m2*día.

Muestra Concentración, mg/L GB, kg/m2*día

Muestra 5 % p/p 0 0

Muestra 7 % p/p 55,074.22 1,506.83

Muestra 9 % p/p 78,810.01 2,053.56

Muestra 11 % p/p 102,713 2,248.18

Muestra 13 % p/p 131,748.30 1,614.07

Muestra 15 % p/p 159,283.20 1,183.01

Muestra 17 % p/p 188,088 723.75

Muestra 20 % p/p 264,949.20 724.91

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101

Figura 10. Curva de flujo discontinuo en función de la concentración de

sólidos

Fuente: elaboración propia.

Como paso último, calcular el área de espesado:

𝐴𝑡 =𝑀

𝐺𝑇= 𝑄𝑜 ∗

𝑋𝑜

𝐺𝑇=

14.33𝑚3

𝑑í𝑎∗ 55.074

𝑘𝑔𝑚3

3.700𝑘𝑔

𝑚2 ∗ 𝑑í𝑎

⁄ = 0.213 𝑚2

[Ecuación No. 39]

Para el cálculo del área industrial, se multiplica el valor de Ac obtenido por

un coeficiente que varía entre 1.2 y 1.4, normalmente se toma el valor de 1.2.

0200400600800

100012001400160018002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000

0 20000400006000080000100000120000140000160000180000200000220000240000260000280000300000

GT,

kg/

día

Concentración de sólidos, mg/l

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102

𝐴𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝐴𝑐 ∗ 1.2 = 0.256 𝑚2

Con el dato del área industrial, se procede a calcular el diámetro, el radio y

la profundidad del sedimentador:

𝐷 = (4𝐴/𝜋)1 2⁄ = (4 ∗ 0.256 𝑚2/𝜋)1 2⁄ = 0.57 𝑚

𝑟 =𝐷

2=

0.57

2= 0.285 𝑚

El tiempo de residencia, aproximadamente, es 5-7 minutos. Tomando el

promedio y trabajando el dato en horas, da un valor de 0.1 horas, por tanto, el

volumen es:

𝑉 = 𝑄 ∗ 𝑡𝑟 24⁄ = (14.33 𝑚3/𝑑í𝑎 ∗ 0.1 ℎ)/24 = 0.060 𝑚3

Con este volumen, la profundidad es:

𝐻 = 𝑉/𝐴 = 0.060 𝑚3/0.49 𝑚2 = 0.12 𝑚

La elevación del cono del fondo del sedimentador tendrá una inclinación

de 10-15 grados con respecto de la horizontal, por lo que la altura de esta parte

es:

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103

𝐻𝑐𝑜𝑛𝑜 = 𝑟 ∗ tan 10° = 39.50𝑐𝑚 ∗ tan 10° = 6 𝑐𝑚

Además de la profundidad (altura) determinada por los cálculos que

representa la zona de sedimentación, hay que considerar algunas provisiones

para inventario y aspecto de diseño mecánico tales como:

Espesamiento del fondo: 5-10 centímetros (equivalente a la altura del

cono de 6 cm)

Capacidad de almacenamiento: 10 centímetros

Al comparar las dos áreas, la del clarificado y la del espesado, se observa

que el área mayor es la del clarificado, por tanto, se elige esta área para

dimensionar el sedimentador.

Tabla 3. Comparación del área industrial de clarificado y área industrial de

espesado

Fuente: elaboración propia.

Las dimensiones finales son las siguientes.

Tabla 4. Dimensionamiento del sedimentador circular a escala piloto

Fuente: elaboración propia.

Aclarif icado 0.49 m2

Aespesado 0.26 m2

Área seleccionada 0.49 m2

Muestra inicial

DiámetroAltura de

sedimentaciónAltura de cono

Altura debida a la

capacidad de

almacenamiento

79 cm 12 cm 6 cm 10cm

Sedimentador

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104

Apéndice 2. Muestra de cálculo, datos originales y datos calculados del análisis

fisicoquímico de la suspensión empleada

Cálculo para análisis fisicoquímico de la suspensión

Tabla 5. Datos experimentales de titulación de la suspensión

Fuente: elaboración propia.

Cálculo del porcentaje de humedad de la muestra

% 𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = [1 −2.5001 𝑔

50.0012 𝑔] ∗ 100 = 95%

Cálculo del porcentaje de insolubles

% 𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑙𝑒𝑠 =0.0968

5.0149 𝑔∗ 100 = 1.93%

Cálculo del porcentaje de Mg elemental

% 𝑀𝑔 =2.431 ∗ (0.05 𝑚𝐿 − 0 𝑚𝐿) ∗ [0.1001𝑀]

5.0149 𝑔250 𝑚𝐿

∗ 25 𝑚𝐿= 0.03 %

K2Cr2O7

Muestra Peso Cacarbonato Cay eso Zn Fe+3 Al Mg Fe+2

5.0149 0.43 mL 0 mL 0.60 mL 0 mL 0.05 mL 0.03 mL

1.0023 0.12 mL

Titulaciones

EDTA

Muestra 1

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105

Cálculo del porcentaje de MgCO3

% 𝑀𝑔𝐶𝑂3 = 0.03 % ∗84.3139

24.31= 0.09 %

Cálculo del Ca elemental como CaCO3

% 𝐶𝑎 =4.008 ∗ (0.43 𝑚𝐿) ∗ [0.1001]

5.0149 𝑔250 𝑚𝐿

∗ 25 𝑚𝐿= 0.34%

Cálculo del porcentaje de CaCO3

% 𝐶𝑎𝐶𝑂3 = 0.34 % ∗100.08

40.08= 0.86 %

Cálculo del Ca elemento como CaSO4

% 𝐶𝑎 =4.008 ∗ (0.12 𝑚𝐿) ∗ [0.1001]

1.0023 𝑔= 0.05%

Cálculo del porcentaje de CaSO4

% 𝐶𝑎𝑆𝑂4 = 0.05 % ∗136.14

40.08= 0.16 %

Cálculo del porcentaje de Fe+3 elemental

% 𝐹𝑒+3 =5.585 ∗ (0.60 𝑚𝐿) ∗ [0.1001]

5.0149 𝑔250 𝑚𝐿

∗ 25 𝑚𝐿= 0.67%

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106

Cálculo del porcentaje de Fe2O3

% 𝐹𝑒2𝑂3 = 0.67 % ∗159.69

55.85= 1.92 %

Cálculo del porcentaje de Fe+2 elemental

% 𝐹𝑒+2 =5.585 ∗ (0.03 𝑚𝐿) ∗ [0.1003]

5.0149 𝑔250 𝑚𝐿

∗ 25 𝑚𝐿= 0.03%

Cálculo del porcentaje de FeO

% 𝐹𝑒𝑂 = 0.03 % ∗71.844

55.85= 0.04 %

Tabla 6. Análisis químico de la muestra recolectada

Compuesto Valor (%)

Fe2O3 1.92

FeO 0.04

Al2O3 0

MgCO3 0.09

ZnCO3 0

CaCO3 0.86

CaSO4 0.16

Insolubles 1.93

Humedad 95

Porcentaje total 100

Fuente: elaboración propia.

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Apéndice 3. Análisis estadístico

Tabla 7. Prueba F para varianza de dos muestras

Variable 1 Variable 2

Media 149862.6873 0.009845033

Varianza 5150603784 4.84956E-05

Observaciones 8 8

Grados de libertad 7 7

F 1.06208E+14

P(F<=f) una cola 1.50858E-48

Valor crítico para F (una cola) 3.78704354

Fuente: elaboración propia.

Tabla 8. Prueba “t” para dos muestras suponiendo varianzas iguales

Variable 1 Variable 2

Media 149862.6873 0.009845033

Varianza 5150603784 4.84956E-05

Observaciones 8 8

Varianza agrupada 2575301892

Diferencia hipotética de las medias 0

Grados de libertad 14

Estadístico t 5.90621714

P(T<=t) una cola 1.9133E-05

Valor crítico de t (una cola) 1.761310136

P(T<=t) dos colas 3.8266E-05

Valor crítico de t (dos colas) 2.144786688

Fuente: elaboración propia.

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ANEXOS

Anexo 1. Tabla de requisitos académicos

Licenciatura en

Ingeniería Química

Área de

Fisicoquímica

Área de

Especialización

Área de

Operaciones

Unitarias

Área de Química

Área de Ciencias

Básicas y

Complementarias

EPS

Química 3

Química 4

Análisis Cuantitativo

Flujo de fluidos (IQ-

2)

Ecología

Diseño de Equipo

Programación de

Computadoras

Ingeniería

Económica 3

Estadística 1

Seminario de EPS

Paso 1

Carrera

Paso 2

Área

Paso 3

Especificación

Paso 4

Problema a resolver

Incrementar el

número de

partículas en los

lodos residuales,

disminuye la

velocidad de

descenso de cada

partícula por

separado, por lo

que las

suspensiones que

poseen una alta

concentración,

presentan

disminuciones en

la velocidad de

sedimentación de

las partículas.

Diseño y construcción

de un sedimentador

circular

ÍNDICE DE

ILUSTRACIONES

LISTA DE SÍMBOLOS

GLOSARIO

RESUMEN

OBJETIVOS

HIPÓTESIS

INTRODUCCIÓN

ANTECEDENTES

RESULTADOS

INTEPRETACIÓN DE

RESULTADOS

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

Paso 5

Hipótesis

Paso 6

Temario tentativo

Fuente: elaboración propia.

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Anexo 2. Diagrama de causa y efecto para determinar las variables en el

diseño y construcción de un sedimentador circular a escala piloto

Tiempo

Altura

ConcentraciónLodos residuales

Organolépticos

Reológicos

Geológicos

Evaluación de

variables

implicadas en el

diseño de equipo

Tiempo de

sedimentación

Sedimentador

Altura de la columna

de sedimentaciónCircular

Fuente: Elaboración propia

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Anexo 3. pH de precipitación de los hidróxidos

Fuente: Araneo, A., Química analítica cualitativa, McGraw Hill

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